Simpel gezegd wordt aangenomen dat Dark Matter niet alleen het grootste deel van de massa van het universum uitmaakt, maar ook fungeert als de steiger waarop sterrenstelsels zijn gebouwd. Maar om bewijs te vinden van deze mysterieuze, onzichtbare massa, worden wetenschappers gedwongen te vertrouwen op indirecte methoden die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt om zwarte gaten te bestuderen. In wezen meten ze hoe de aanwezigheid van donkere materie sterren en sterrenstelsels in de buurt beïnvloedt.
Tot op heden zijn astronomen erin geslaagd om bewijs te vinden van klonten van donkere materie rond middelgrote en grote sterrenstelsels. Gebruikmakend van gegevens van de Hubble-ruimtetelescoop en een nieuwe observatietechniek, ontdekte een team van astronomen van UCLA en NASA JPL dat donkere materie veel kleinere klonten kan vormen dan eerder werd gedacht. Deze bevindingen werden deze week gepresenteerd op de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS).
De meest algemeen aanvaarde theorie over donkere materie stelt dat het niet uit hetzelfde materiaal bestaat als baryonisch (ofwel normale of "lichtgevende" materie) - dat wil zeggen protonen, neutronen en elektronen. In plaats daarvan wordt aangenomen dat Dark Matter bestaat uit een soort onbekend subatomair deeltje dat alleen met de zwaartekracht in wisselwerking staat met de normale materie, de zwakste van de fundamentele krachten - de andere zijn elektromagnetische, sterke en zwakke nucleaire krachten.
Een andere algemeen aanvaarde theorie stelt dat Dark Matter langzaam beweegt in vergelijking met andere soorten deeltjes en daarom vatbaar is voor klontering. In overeenstemming met dit idee zou het heelal een breed scala aan donkere-stofconcentraties moeten bevatten, van klein tot groot. Tot nu toe zijn echter nooit kleine concentraties waargenomen.
Met behulp van gegevens verkregen door Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3), probeerde het onderzoeksteam bewijs te vinden voor deze kleine klonten door het licht van de heldere kernen van acht verre sterrenstelsels (ook bekend als quasars) te meten om te zien hoe het wordt beïnvloed terwijl het reist. door de ruimte. Deze techniek, die gewoonlijk door astronomen wordt gebruikt om verre sterrenstelsels, sterrenhopen en zelfs exoplaneten te bestuderen, staat bekend als gravitatielensvorming.
Oorspronkelijk voorspeld door Einsteins Theorie van Algemene Relativiteit, vertrouwt deze techniek op de zwaartekracht van grote kosmische objecten om licht van verder weg gelegen objecten te vervormen en te vergroten. Daniel Gilman van UCLA, die lid was van het observatieteam, legde het proces als volgt uit:
'Stel je voor dat elk van deze acht sterrenstelsels een gigantisch vergrootglas is. Kleine klontjes van donkere materie werken als kleine scheurtjes in het vergrootglas en veranderen de helderheid en positie van de vier quasarbeelden vergeleken met wat je zou verwachten als het glas glad zou zijn. "
Zoals gehoopt, de Hubble beelden toonden aan dat licht afkomstig van deze acht quasars onderhevig was aan een lenseffect dat consistent is met de aanwezigheid van kleine klonten langs de gezichtslijn van de telescoop en in en rond de lensstelsels op de voorgrond. De acht quasars en sterrenstelsels waren zo nauwkeurig op elkaar afgestemd dat het vervormingseffect vier vervormde beelden van elke quasar produceerde.
Met behulp van uitgebreide computerprogramma's en intensieve reconstructietechnieken vergeleek het team vervolgens het niveau van vervorming met voorspellingen over hoe de quasars zouden verschijnen zonder de invloed van de Dark Matter. Deze metingen werden ook gebruikt om de massa's van de donkere-stofconcentraties te berekenen, wat erop wees dat ze 1 / 10.000ste tot 1 / 100.000ste keer de massa van de eigen Melkstofhalo van de Melkweg waren.
Behalve dat het de eerste keer is dat kleine concentraties zijn waargenomen, bevestigen de resultaten van het team een van de fundamentele voorspellingen van de "Cold Dark Matter" -theorie. Deze theorie veronderstelt dat, aangezien Dark Matter langzaam beweegt (of "koud"), het in staat is om structuren te vormen die variëren van minuscule concentraties tot enorme concentraties die meer dan de massa van de Melkweg zijn.
Deze theorie stelt ook dat alle sterrenstelsels in het heelal zich vormden binnen wolken van donkere materie die bekend staan als "halo's" en daarin werden ingebed. In plaats van het bewijs van kleinschalige klontjes, hebben sommige onderzoekers gesuggereerd dat Dark Matter eigenlijk “warm” kan zijn, dat wil zeggen snel beweegt, en daarom te snel is om kleinere concentraties te vormen.
De nieuwe waarnemingen bieden echter definitief bewijs dat de theorie van Cold Dark Matter en het ondersteunde kosmologische model - het Lambda Cold Dark Matter (? CDM) -model - juist is. Zoals teamlid prof.Tommaso Treu van de University of California, Los Angeles (UCLA) uitlegde, deze laatste Hubble waarnemingen leveren nieuwe inzichten op over de aard van donkere materie en hoe deze zich gedraagt.
"We hebben een zeer overtuigende observatietest gedaan voor het koude donkere-materiemodel en het slaagt met vlag en wimpel", zei hij. "Het is ongelooflijk dat Hubble na bijna 30 jaar gebruik baanbrekende inzichten biedt in de fundamentele fysica en de aard van het universum waar we niet eens van hadden gedroomd toen de telescoop werd gelanceerd."
Anna Nierenberg, een onderzoeker bij het NASA Jet Propulsion Laboratory die de Hubble enquête, verder uitgelegd:
Jagen op concentraties van donkere materie zonder sterren is een uitdaging gebleken. Het Hubble-onderzoeksteam gebruikte echter een techniek waarbij ze niet hoefden te zoeken naar de zwaartekrachtinvloed van sterren als tracers van donkere materie. Het team richtte zich op acht krachtige en verre kosmische 'straatverlichting', quasars genoemd (gebieden rond actieve zwarte gaten die enorme hoeveelheden licht uitstralen). De astronomen hebben gemeten hoe het licht dat wordt uitgestraald door zuurstof en neongas in een baan om elk van de zwarte gaten van de quasars wordt vervormd door de zwaartekracht van een enorm voorgrondstelsel, dat werkt als een vergrootglas.
Het aantal kleine structuren dat in de studie is gedetecteerd, biedt meer aanwijzingen over de aard van donkere materiedeeltjes, aangezien hun eigenschappen van invloed zouden zijn op het aantal klonten. Het type deeltje waaruit Dark Matter bestaat, blijft echter voorlopig een mysterie. Gelukkig zal de inzet van ruimtetelescopen van de volgende generatie in de nabije toekomst naar verwachting daarbij helpen.
Deze omvatten de James Webb Space Telescope (JWST) en de Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), beide infrarood-observatoria die dit decennium moeten stijgen. Met hun geavanceerde optiek, spectrometers, groot gezichtsveld en hoge resolutie, zullen deze telescopen hele gebieden van de ruimte kunnen observeren die worden beïnvloed door enorme sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en hun respectievelijke halo's.
Dit zou astronomen moeten helpen de ware aard van donkere materie te bepalen en hoe de samenstellende deeltjes eruit zien. Tegelijkertijd zijn astronomen van plan dezelfde instrumenten te gebruiken om meer te leren over Donkere Energie, een ander groot kosmologisch mysterie dat voorlopig alleen indirect kan worden bestudeerd. Er liggen spannende tijden in het verschiet!
