Pierwsze obserwacje oddziałującej ze sobą ciemnej materii?

Zdjęcie gromady galaktyk Abell 3827 wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Dziwne niebieskie struktury wokół centralnych galaktyk to obrazy soczekowania grawitacyjnego znacznie odleglejszej galaktyki.
ESO / NASA

Być może po raz pierwszy zaobserwowano ciemną materię oddziałującą z inną ciemną materią w sposób inny niż poprzez siłę grawitacji. W obserwacjach zderzających się galaktyk, wykonanych za pomocą należącego do ESO teleskopu VLT oraz należącego do NASA/ESA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, znaleziono intrygujące wskazówki na temat natury tego tajemniczego składnika Wszechświata.

Korzystając z instrumentu MUSE na teleskopie VLT w Chile, a także ze zdjęć z teleskopu Hubble’a pracującego na orbicie, zespół astronomów zbadał jednoczesną kolizję czterech galaktyk w gromadzie Abell 3827. Badacze byli wstanie określić gdzie znajduje się masa w tym systemie i porównać rozmieszczenie ciemnej materii z pozycjami jasnych galaktyk.

Chociaż ciemnej materii nie można zobaczyć, naukowcy mogą wywnioskować jej położenie dzięki technice zwanej soczekowaniem grawitacyjnym. Zderzenie nastąpiło w miejscu bezpośrednio przed znacznie odleglejszym, niezwiązanym źródłem. Masa ciemnej materii wokół zderzających się galaktyk w znaczny sposób zaburzyła czasoprzestrzeń, zmieniając ścieżki promieni świetlnych docierających do odległej galaktyki tła – oraz zniekształcając jej obraz w charakterystyczne kształty łuków.

Według obecnego stanu wiedzy wszystkie galaktyki znajdują się wewnątrz skupisk ciemnej materii. Bez efektu pochodzącego od grawitacji ciemnej materii, galaktyki takie jak Droga Mleczna, rozpadłyby się na skutek swojej rotacji. Aby tego uniknąć, 85 procent masy Wszechświata [1] musi występować w formie ciemnej materii, której prawdziwa natura ciągle pozostaje tajemnicza.

W przedstawionych badaniach naukowcy obserwowali cztery zderzające się galaktyki i odkryli, że jedno ze skupisk ciemnej materii wydaje się być w tyle za galaktyką, którą otacza. Ciemna materia znajduje się obecnie 5000 lat świetlnych (50 000 bilionów kilometrów) za galaktyką – sonda kosmiczna Voyager, należąca do NASA, potrzebowałaby 90 milionów lat, aby dolecieć tak daleko.

Odstęp pomiędzy ciemną materią, a powiązaną z nią galaktyką jest przewidywany dla zderzeń, w których ciemna materia oddziałuje ze sobą chociaż w niewielki sposób inaczej niż poprzez grawitację [2]. Nigdy wcześniej nie obserwowano ciemnej materii oddziałujące inaczej niż poprzez siłę grawitacji.

Kierownik grupy badawczej badań, Richard Massey z Durham University, wyjaśnia: „Przywykliśmy do myślenia, że ciemna materia po prostu znajduje się dookoła, zajmując się własnymi sprawami, z wyjątkiem przyciągania grawitacyjnego. Ale jeśli ciemna materia została spowolniona podczas tej kolizji, może to być pierwszy dowód na bogatą fizykę w ciemnym sektorze – ukrytym Wszechświecie wszędzie wokół nas.”

Naukowcy wskazują, że potrzebne będą dalsze badania nad innymi efektami, które mogły spowodować opóźnienie. Potrzeba podobnych obserwacji dla większej liczby galaktyk oraz komputerowych symulacji zderzeń pomiędzy galaktykami.

Członkini zespołu, Liliya Williams z University of Minnesota, dodaje: „Wiemy, że ciemna materia istnieje, ze względu na sposób w jaki oddziałuje grawitacyjne, pomagając kształtować Wszechświat, ale ciągle krępująco mało wiemy na temat tego czym naprawdę jest ciemna materia. Nasze obserwacje sugerują, że ciemna materia może oddziaływać za pomocą sił innych niż grawitacja, co oznacza, że możemy wykluczyć kilka głównych teorii na temat tego czym ciemna materia może być.”.

Wyniki badań są zgodne z niedawnymi rezultatami zespołu, który przeanalizował 72 kolizje pomiędzy gromadami galaktyk [3] i odkrył, ze ciemna materia w niewielkim stopniu oddziałuje ze sobą. Nowa praca uwzględnia jednak ruch pojedynczych galaktyk, a nie gromad galaktyk. Naukowcy mówią, że zderzenie pomiędzy galaktykami mogły trwać dłużej niż kolizje obserwowane w poprzednich badaniach – pozwalając efektom od nawet niewielkich sił tarcia odpowiednio narosnąć z upływem czasu i wytworzyć mierzalne opóźnienie [4].

Zebrane razem, oba rezultaty po raz pierwszy pokazują skrajne zachowanie ciemnej materii. Ciemna materia oddziałuje jakoś pomiędzy tymi przypadkami. Massey dodał: „W końcu przyglądamy się ciemnej materii z różnych stron – obejmując ją wiedzą z dwóch kierunków”.

Uwagi

[1]  Astronomowie ustalili, że łączna zawartość masy/energii Wszechświata jest podzielona w proporcjach: 68% ciemnej energii, 27% ciemnej materii i 5% “normalnej” materii. Zatem 85% odnosi się do części „materii”, która jest ciemna.

[2] Symulacje komputerowe pokazują, że dodatkowe tarcie od kolizji spowolniłoby ciemna materię. Natura tej interakcji jest nieznana; może być spowodowana przez dobrze znane efekty, albo jakieś nieznane, egzotyczne siły. W tym momencie można jedynie stwierdzić, że nie jest to grawitacja.

Wszystkie cztery galaktyki mogą być odseparowane od swojej ciemnej materii. Ale udało się uzyskać bardzo dobre pomiary tylko dla jednej galaktyki, ponieważ szczęśliwie była odpowiednio usytuowana w stosunku do soczewkowanego grawitacyjnie obiektu tła. W przypadku trzech pozostałych galaktyk soczewkowane obrazy są dalej, a zatem wnioski odnośnie położenie ciemnej materii zbyt luźne, aby uzyskać statystycznie znaczące konkluzje.

[3] Gromady galaktyk zawierają do tysiąca pojedynczych galaktyk.

[4] Główną niepewnością wyniku jest przedział czasowy kolizji: tarcie, które spowolniło ciemną materię mogło być bardzo słabą siłą działającą przez kilka miliardów lat, albo względnie mocną trwającą “tylko” 100 milionów lat.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt.: “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827”, który ukaże się w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society w wydaniu z u15 kwietnia 2015 r.

Skład zespołu badawczego: R. Massey (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Wielka Brytania), L. Williams (School of Physics & Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA), R. Smit (Institute for Computational Cosmology, Wielka Brytania), M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, Wielka Brytania), T. D. Kitching (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Dorking, Surrey, Wielka Brytania), D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny, Versoix, Szwajcaria), H. Israel (Institute for Computational Cosmology, Wielka Brytania), M. Jauzac (Institute for Computational Cosmology, Wielka Brytania; Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban, RPA), D. Clowe (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), A. Edge (Department of Physics, Durham University, Durham, Wielka Brytania), M. Hilton (Astrophysics and Cosmology Research Unit, RPA), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Marsylia, Francja), A. Leonard (University College London, London, Wielka Brytania), J. Liesenborgs (Hasselt University, Diepenbeek, Belgia), J. Merten (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA; California Institute of Technology, Pasadena, California, USA), I. Mohammed (Physik-Institüt, University of Zürich, Zürich, Szwajcaria), D. Nagai (Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut, USA), J. Richard (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Francja), A. Robertson (Institute for Computational Cosmology, Wielka Brytania), P. Saha (Physik-Institüt, Szwajcaria), R. Santana (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), J. Stott (Department of Physics, Durham, Wielka Brytania) oraz E. Tittley (Royal Observatory, Edynburg, Wielka Brytania).

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1444