Kort sagt menes at Dark Matter ikke kun udgør hovedparten af universets masse, men fungerer også som stilladser, hvorpå galakser er bygget. Men for at finde bevis for denne mystiske, usynlige masse, er forskere tvunget til at stole på indirekte metoder, der ligner dem, der bruges til at studere sorte huller. I det væsentlige måler de, hvordan tilstedeværelsen af Dark Matter påvirker stjerner og galakser i nærheden.
Hidtil har astronomer været i stand til at finde beviser på mørke stofklumper omkring mellemstore og store galakser. Brug af data fra Hubble-rumteleskop og en ny observationsteknologi fandt et team af astronomer fra UCLA og NASA JPL, at mørkt stof kan danne meget mindre klumper end tidligere antaget. Disse fund blev præsenteret denne uge på det 235. møde i American Astronomical Society (AAS).
Den mest accepterede teori om Dark Matter siger, at den ikke består af de samme ting som baryonic (alias normal eller "lysende" stof) - dvs. protoner, neutroner og elektroner. I stedet er Dark Matter teoretiseret til at være sammensat af en slags ukendt subatomisk partikel, der kun interagerer med normal stof gennem tyngdekraften, den svageste af de grundlæggende kræfter - de andre er elektromagnetiske, stærke og svage kernekræfter.
En anden bredt accepteret teori siger, at Dark Matter bevæger sig langsomt sammenlignet med andre typer partikler og derfor er tilbøjelige til at klumpe sig sammen. I overensstemmelse med denne idé bør universet indeholde en bred vifte af mørke stofkoncentrationer, der spænder fra små til store. Indtil nu er der imidlertid aldrig observeret små koncentrationer.
Ved hjælp af data, der er opnået af Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3), forsøgte forskerteamet at finde bevis for disse små klumper ved at måle lyset fra de lyse kerner i otte fjerne galakser (aka quasars) for at se, hvordan det påvirkes, når det rejser gennem rummet. Denne teknik, der ofte bruges af astronomer til at studere fjerne galakser, stjerne klynger og endda exoplaneter, er kendt som gravitationslinser.
Oprindeligt forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet, bygger denne teknik på tyngdekraften fra store kosmiske objekter til at fordreje og forstørre lys fra fjernere objekter. Daniel Gilman fra UCLA, der var medlem af observationsteamet, forklarede processen således:
”Forestil dig, at hver af disse otte galakser er et kæmpe forstørrelsesglas. Små mørke stofklumper fungerer som små revner på forstørrelsesglasset og ændrer lysstyrken og placeringen af de fire kvasarbilleder sammenlignet med hvad du ville forvente at se, om glasset var glat. ”
Som håbet blev Hubble billeder viste, at lys fra disse otte kvasarer var udsat for en linseeffekt, der er konsistent med tilstedeværelsen af små klumper langs teleskopets synslinie og i og omkring linsegalakserne i forgrunden. De otte kvasarer og galakser var indrettet så præcist, at skævningseffekten frembragte fire forvrængede billeder af hver kvasar.
Ved hjælp af detaljerede databehandlingsprogrammer og intensive genopbygningsteknikker sammenlignede teamet derefter niveauet af forvrængning med forudsigelser af, hvordan kvaserne ville se ud uden indflydelse fra Dark Matter. Disse målinger blev også brugt til at beregne masserne af mørkestofkoncentrationerne, hvilket indikerede, at de var 1 / 10.000 til 1 / 100.000. gang gange massen i Mælkevejens egen Dark Matter-halo.
Ud over at være første gang, der er observeret små koncentrationer, bekræfter teamets resultater en af de grundlæggende forudsigelser af ”Cold Dark Matter” -teorien. Denne teori postulerer, at da Dark Matter er langsomt bevægende (eller "koldt"), at det er i stand til at danne strukturer, der spænder fra små koncentrationer til enorme dem, der er flere gange massen af Mælkevejen.
Denne teori siger også, at alle galakser i universet dannede sig i skyer af Dark Matter kendt som "haloer" og blev indlejret i dem. I stedet for bevis for små klumper har nogle forskere antydet, at Dark Matter faktisk kan være "varm" - dvs. hurtigt i bevægelse - og derfor for hurtig til at danne mindre koncentrationer.
Imidlertid giver de nye observationer et definitivt bevis på, at teorien om Cold Dark Matter og den kosmologiske model, den understøtter - Lambda Cold Dark Matter (? CDM) -modellen - er korrekt. Som teammedlem prof. Tommaso Treu fra University of California, Los Angeles (UCLA), forklarede disse seneste Hubble observationer giver ny indsigt i mørket stofs art og hvordan det opfører sig.
”Vi lavede en meget overbevisende observationstest for modellen med kold mørke stoffer, og den passerer med flyvende farver,” sagde han. ”Det er utroligt, at Hubble efter næsten 30 års drift muliggør banebrydende synspunkter i grundlæggende fysik og universets natur, som vi ikke engang drømte om, da teleskopet blev lanceret.”
Anna Nierenberg, en forsker ved NASA Jet Propulsion Laboratory, der ledede Hubble undersøgelse, forklaret yderligere:
Jagt efter mørke stofkoncentrationer uden stjerner har vist sig udfordrende. Forskningsteamet i Hubble brugte imidlertid en teknik, hvor de ikke havde brug for at se efter stjernernes gravitationspåvirkning som sporere af mørkt stof. Holdet målrettede otte magtfulde og fjerne kosmiske ”gadelygter”, kaldet kvasarer (regioner omkring aktive sorte huller, der udsender enorme mængder lys). Astronomerne målte, hvordan lyset, der udsendes af ilt og neongas, der kredser rundt om hver af kvasarernes sorte huller, er fordrejet af tyngdekraften i en massiv forgrundstatistik, der fungerer som en forstørrelseslinse.
Antallet af små strukturer, der er påvist i undersøgelsen, giver flere ledetråde om arten af partikler af mørkt stof, da deres egenskaber ville påvirke, hvor mange klumper der dannes. Imidlertid forbliver den type partikel, som Dark Matter består af, for tiden et mysterium. Heldigvis forventes installationen af næste generation af rumteleskoper i den nærmeste fremtid at hjælpe i den forbindelse.
Disse inkluderer James Webb-rumteleskopet (JWST) og det brede feltinfrarøde målingsteleskop (WFIRST), som begge er infrarøde observatorier, der er planlagt til at gå op i dette årti. Med deres sofistikerede optik, spektrometre, store synsfelt og høj opløsning vil disse teleskoper være i stand til at observere hele områder i rummet, der er påvirket af massive galakser, galakse klynger og deres respektive haloer.
Dette burde hjælpe astronomer med at bestemme den sande natur af Dark Matter og hvordan dens bestanddelspartikler ser ud. Samtidig planlægger astronomer at bruge disse samme instrumenter til at lære mere om Dark Energy, et andet stort kosmologisk mysterium, der kun kan studeres indirekte indtil videre. Spændende tider ligger foran os!
