Dark Matter har varit något av ett mysterium sedan det först föreslogs. Förutom att försöka hitta några direkta bevis på dess existens har forskare också spenderat de senaste decennierna med att utveckla teoretiska modeller för att förklara hur det fungerar. Under de senaste åren har den populära uppfattningen varit att Dark Matter är "kallt" och distribuerat i klumpar över hela universum, en observation som stöds av Planck-uppdragsdata.
En ny studie som producerats av ett internationellt forskarteam målar dock en annan bild. Med hjälp av data från Kilo Degree Survey (KiDS) studerade dessa forskare hur ljuset från miljoner avlägsna galaxer påverkades av gravitationspåverkan av materia på den största vågen. Vad de tyckte var att Dark Matter verkar vara smidigare fördelat över hela rymden än tidigare trott.
Under de senaste fem åren har KiDS-undersökningen använt VLT Survey Telescope (VST) - det största teleskopet vid ESO: s La Silla Paranal-observatorium i Chile - för att kartlägga 1500 kvadratgrader av den södra natthimlen. Denna rymdvolym har övervakats i fyra band (UV, IR, grön och röd) med hjälp av svaga gravitationslinser och fotometriska rödskiftmätningar.
I överensstämmelse med Einsteins teori om generell relativitet innebär gravitationslinsning att studera hur gravitationen för ett massivt objekt kommer att böja ljuset. Under tiden försöker rödskiftet mäta hastigheten med vilken andra galaxer rör sig bort från vår genom att mäta i vilken utsträckning deras ljus förskjuts mot den röda änden av spektrumet (dvs dess våglängd blir längre ju snabbare källan rör sig bort).
Gravitationslinsning är särskilt användbar när det gäller att bestämma hur universum blev. Vår nuvarande kosmologiska modell, känd som Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) -modellen, säger att Dark Energy är ansvarig för den sena tidens acceleration i utbyggnaden av universum och att Dark Matter består av massiva partiklar som är ansvariga för kosmologisk strukturbildning.
Med hjälp av en liten variation på denna teknik, känd som kosmisk ren, studerade forskarteamet ljus från avlägsna galaxer för att bestämma hur det snedvrids av närvaron av de största strukturerna i universum (såsom superkluster och filament). Som Dr. Hendrik Hildebrandt - en astronom från Argelander Institute for Astronomy (AIfA) och huvudförfattaren till tidningen - berättade för Space Magazine via e-post:
”Vanligtvis tänker man på en stor massa som ett galaxkluster som orsakar denna ljusavböjning. Men det finns också materia över hela universum. Ljuset från avlägsna galaxer avleds kontinuerligt av den så kallade storskaliga strukturen. Detta resulterar i att galaxer som är nära himlen "pekar" i samma riktning. Det är en liten effekt men det kan mätas med statistiska metoder från stora galaxprover. När vi har mätt hur starkt galaxer "pekar" i samma riktning kan vi härifrån dra slutsatsen de statistiska egenskaperna i storskalans struktur, t.ex. medelämnets täthet och hur starkt materialet klumpas / klusteras. ”
Med hjälp av denna teknik genomförde forskargruppen en analys av 450 kvadratgrader av KiDS-data, vilket motsvarar cirka 1% av hela himlen. Inom denna rymdvolym observerades det hur ljuset från cirka 15 miljoner galaxer samverkade med allt det som ligger mellan dem och jorden.
Genom att kombinera de extremt skarpa bilderna som erhållits av VST med avancerad datorprogramvara kunde teamet utföra en av de mest exakta mätningar som någonsin gjorts av kosmisk skjuvning. Intressant nog var resultaten inte förenliga med resultaten från ESA: s Planck-uppdrag, som hittills varit den mest omfattande kartläggaren av universum.
Planck-uppdraget har tillhandahållit en del fantastiskt detaljerad och exakt information om den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB). Detta har hjälpt astronomer att kartlägga det tidiga universum, samt utveckla teorier om hur materia distribuerades under denna period. Som Hildebrandt förklarade:
”Planck mäter många kosmologiska parametrar med utsökt precision från temperatursvängningarna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, dvs. fysiska processer som hände 400 000 år efter Big Bang. Två av dessa parametrar är universums genomsnittliga materialtäthet och ett mått på hur starkt denna materia klumpas samman. Med kosmisk skjuvning mäter vi också dessa två parametrar men en mycket senare kosmisk tid (för några miljarder år sedan eller ~ 10 miljarder år efter Big Bang), dvs i vårt nyare förflutna. ”
Hildebrandt och hans team fann dock värden för dessa parametrar som var betydligt lägre än de som hittades av Planck. I grund och botten antyder deras kosmiska skjuvningsresultat att det finns mindre materia i universum och att det är mindre grupperat än vad Planck-resultaten förutspådde. Dessa resultat kommer sannolikt att påverka kosmologiska studier och teoretisk fysik under de kommande åren.
Som det står förblir Dark Matter inte upptäckt med standardmetoder. Liksom svarta hål kan dess existens endast dras ut från de observerbara gravitationseffekter den har på synlig materia. I detta fall mäts dess närvaro och grundläggande natur genom hur det har påverkat universums utveckling under de senaste 13,8 miljarder åren. Men eftersom resultaten verkar vara motstridiga kan astronomer nu behöva ompröva några av sina tidigare uppfattningar.
"Det finns flera alternativ: eftersom vi inte förstår de dominerande ingredienserna i universum (mörk materia och mörk energi) kan vi leka med båda egenskaper," sade Hildebrandt. "Till exempel kan olika former av mörk energi (mer komplex än den enklaste möjligheten, som är Einsteins" kosmologiska konstant ") förklara våra mätningar. En annan spännande möjlighet är att detta är ett tecken på att tyngdelagarna i universums skala skiljer sig från allmän relativitet. Allt vi kan säga för tillfället är att något tycks vara inte riktigt rätt! ”
