Βλέποντας τη σκοτεινή ύλη υπό ένα νέο φως

Μια μικρή ομάδα αστρονόμων έχει βρει έναν νέο τρόπο να «δει» τα άπιαστα – δύσκολα να βρεθούν – φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης που περιβάλλουν τους γαλαξίες, με μια νέα τεχνική 10 φορές πιο ακριβή από την προηγούμενη καλύτερη μέθοδο. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι μέχρι και το 85% της μάζας στο σύμπαν είναι ουσιαστικά αόρατο. Αυτή η « σκοτεινή ύλη » δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως με τον ίδιο τρόπο όπως η συνηθισμένη ύλη που απαρτίζεται από αστέρια, πλανήτες και ζωή πάνω στη Γη.

Καλλιτεχνική άποψη ενός γαλαξία που περιβάλλεται από βαρυτικές παραμορφώσεις λόγω της σκοτεινής ύλης. Οι γαλαξίες ζουν μέσα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αόρατης σκοτεινής ύλης (έγχρωμο μωβ σε αυτήν την εικόνα), ωστόσο τα φαινόμενα της σκοτεινής ύλης φαίνονται με την εξέταση των παραμορφώσεων των γαλαξιών στο παρασκήνιο.

Πώς μετράμε λοιπόν αυτό που δεν μπορούμε να δούμε; Το κλειδί είναι να μετρηθεί η επίδραση της βαρύτητας που παράγει η σκοτεινή ύλη.

Ο Pol Gurri, ο οποίος ηγήθηκε της νέας έρευνας, εξηγεί: «Είναι σαν να κοιτάς μια σημαία για να προσπαθήσεις να μάθεις πόσο δυνατός είναι ο άνεμος. Δεν μπορείς να δεις τον άνεμο, αλλά η κίνηση της σημαίας σου λέει πόσο ισχυρά φυσάει ο άνεμος.”

Η νέα έρευνα λοιπόν επικεντρώνεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ασθενής βαρυτικός φακός, το οποίο αποτελεί χαρακτηριστικό της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. “Η σκοτεινή ύλη θα παραμορφώσει ελαφρώς την εικόνα οτιδήποτε είναι πίσω από αυτό”, λέει ο Edward Taylor, ο οποίος συμμετείχε επίσης στην έρευνα. «Το αποτέλεσμα μοιάζει λίγο με την ανάγνωση μιας εφημερίδας κάτω από τη βάση ενός ποτηριού κρασιού»

Επεξεργασμένη εικόνα ενός σπειροειδούς γαλαξία, όπως μπορεί να παρατηρηθεί αφού οι βαρυτικές επιδράσεις παραμόρφωσαν το πραγματικό σχήμα του γαλαξία. Μετρώντας την τροχιακή κίνηση του αερίου μέσα σε έναν μακρινό γαλαξία (φαίνεται εδώ με ροζ χρώμα), οι βαρυτικές παραμορφώσεις μπορούν να μετρηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι ήταν δυνατόν στο παρελθόν.

Ο ασθενής βαρυτικός φακός είναι ήδη ένας από τους πιο επιτυχημένους τρόπους για τη χαρτογράφηση του περιεχομένου της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος. Τώρα, η ομάδα του Swinburne χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο ANU 2,3m στην Αυστραλία για να χαρτογραφήσει τον τρόπο περιστροφής των γαλαξιών με βαρυτικούς φακούς . “Επειδή γνωρίζουμε πώς τα αστέρια και το αέριο κινούνται μέσα στους γαλαξίες, γνωρίζουμε περίπου πώς θα πρέπει να μοιάζει αυτός ο γαλαξίας”, λέει ο Gurri. «Μετρώντας πόσο παραμορφωμένες είναι οι πραγματικές εικόνες του γαλαξία, τότε μπορούμε να καταλάβουμε πόσο σκοτεινή ύλη θα χρειαζόταν για να εξηγήσουμε αυτό που βλέπουμε».

Η νέα έρευνα δείχνει πώς αυτές οι πληροφορίες της ταχύτητας επιτρέπουν μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση του βαρυτικού φακού από ό, τι είναι δυνατό μόνο με τη χρήση σχήματος. «Με τον νέο μας τρόπο να βλέπουμε τη σκοτεινή ύλη», λέει ο Gurri, «ελπίζουμε να έχουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για το πού βρίσκεται η σκοτεινή ύλη και ποιος είναι ο ρόλος της στο πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες».

Οι μελλοντικές διαστημικές αποστολές όπως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman της NASA και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Euclid της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας έχουν σχεδιαστεί, εν μέρει, για να κάνουν τέτοιου είδους μετρήσεις με βάση τα σχήματα εκατοντάδων εκατομμυρίων γαλαξιών. “Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να συνεισφέρουμε πραγματικά σε αυτές τις παγκόσμιες προσπάθειες με ένα σχετικά μικρό τηλεσκόπιο που χτίστηκε τη δεκαετία του 1980, απλά σκεφτόμαστε το πρόβλημα με διαφορετικό τρόπο”, προσθέτει ο Taylor.

Ενώ η παρουσία οποιασδήποτε μάζας κάμπτει μία ακτίνα του φωτός που περνά κοντά της, αυτό το φαινόμενο σπάνια παράγει τα γιγαντιαία τόξα και πολλές εικόνες που σχετίζονται με τον ισχυρό βαρυτικό φακό. Οι περισσότερες οπτικές γωνίες του σύμπαντος βρίσκονται πλήρως στο καθεστώς του ασθενούς βαρυτικού φακού, στο οποίο είναι αδύνατο να ανιχνευθεί η παραμόρφωση με μία μόνο πηγή. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτές τις περιπτώσεις, η παρουσία της μάζας στο προσκήνιο μπορεί να ανιχνευθεί, μέσω μιας συστηματικής ευθυγράμμισης των πηγών υποβάθρου γύρω από τη μάζα του βαρυτικού φακού. Ο ασθενής βαρυτικός φακός είναι επομένως μια εγγενώς στατιστική μέτρηση, αλλά παρέχει έναν τρόπο μέτρησης των μαζών των αστρονομικών αντικειμένων χωρίς να απαιτούνται υποθέσεις σχετικά με τη σύνθεση ή τη δυναμική τους κατάσταση.