Astronomii de la Univ. Birmingham, Academica Sinica şi Kavli Institute din Japonia au descoperit noi dovezi că misterioasa materie întunecată care umple universul nostru se comportă aşa cum a fost prezis de teoria CDM (a „materiei întunecate reci").
Hărţile materiei întunecate pentru 50 de roiuri galactice individuale (stânga), harta medie a roiului galactic (centru) şi harta bazată pe teoria materiei întunecate (dreapta). Teoria CDM (dreapta, centru) se potriveşte bine cu media roiurilor galactice observate cu ajutorul telescopului Subaru. Densitatea materiei întunecate creşte în ordinea culorilor albastru, verde, galben, roşu şi negru. Credit: University of Birmingham (Marea Britanie)
La o conferinţă de presă recentă din Taipei, o echipă de astronomi a raportat măsurătorile sale privind densitatea de materie întunecată în cele mai masive obiecte din Univers, roiurile galactice. Au găsit că densitatea de materie întunecată scade uşor din centrul acestor giganţi cosmici către periferiile lor difuze. Reducerea densităţii de materie întunecată de la centru către periferie corespunde foarte bine cu teoria CDM.
La aproape optzeci de ani după ce primele dovezi privind existenţa materiei întunecate au rezultat din cercetarea astronomilor, numai puţini oameni de ştiinţă se mai îndoiesc serios de existenţa ei. Cu toate acestea, astronomii nu pot vedea materia întunecată în mod direct pe cerul nopţii şi fizicienii particulelor elementare nu au identificat încă în experimentele lor din ce este formată materia întunecată.
„Ce este materia întunecată ?", este astfel o mare întrebare fără răspuns cu care se confruntă astronomii şi fizicienii particulelor elementare, mai ales pentru că există dovezi puternice că 85% din masa din Univers este reprezentată de materia întunecată invizibilă.
Echipa, condusă de Dr. Nobuhiro Okabe (Academica Sinica din Taiwan) şi Dr. Graham Smith (Birmingham) au folosit telescopul Subaru din Hawaii pentru a investiga natura materiei întunecate prin măsurarea densităţii sale în cincizeci de roiuri galactice, obiectele cele mai masive din Univers.
„Un roi galactic este ca un oraş imens pe care tu îl vezi de sus în timpul nopţii", explică Smith. „Fiecare lumină strălucitoare din oraş este o galaxie, iar zonele întunecate dintre lumini care par să fie goale în timpul nopţii sunt de fapt pline de materie întunecată. Vă puteţi gândi la materia întunecată dintr-un roi galactic ca fiind infrastructura în care trăiesc galaxiile. Am vrut să ştim cum se schimbă densitatea materiei întunecate când conduci din centrul acestor oraşe imense în afară, spre suburbii."
O schiţă a modului de distribuţie a materiei întunecate (dreapta) a fost reconstruită din imagini optice (stânga), luate de telescopul Subaru. O măsurare precisă a formelor galaxiilor din fundal, din cadrul imaginilor observate, a permis echipei să investigheze modelul de distorsiune (centru) şi apoi să reconstruiască distribuţia materiei întunecate în grupurile de galaxii. Credit: NAOJ/ASIAA/School of Physics and Astronomy, University of Birmingham/Kavli IPMU - Institute of Physics and Mathematics of the Universe/Astronomical Institute, Tohoku University.
Densitatea materiei întunecate depinde de proprietăţile particulelor individuale ce o compun, la fel cum densitatea materialelor de zi cu zi depinde de elementele lor componente. CDM, cea mai de succes teorie a materiei întunecate de până în prezent, prezice că particulele de materie întunecată interacţionează între ele şi cu o altă materie prin intermediul forţei de gravitaţie, ele neemiţând şi neabsorbind lumina. De asemenea, teoria prezice că densitatea de materie întunecată din centrul celor mai masive obiecte din Univers, de exemplu roiul de galaxii Coma, cel mai apropiat gigant cosmic de Pământ, este mai mică decât în obiecte mai puţin masive, inclusiv galaxii individuale, cum ar fi propria noastră casă, Calea Lactee.
Observând roiurile galactice cu ajutorul camerei foto Subaru Prime Focus (Suprime-Cam), echipa măsoară densitatea materiei întunecate din roiurile galactice folosind efectul de lentilă gravitaţională. Aşa cum a fost prezis de Einstein, lentila gravitaţională reprezintă schimbarea de direcţie şi formă a unui fascicul de lumină, când acesta călătoreşte prin spaţiul curbat din apropierea unui obiect masiv. Forma şi poziţia aparentă a galaxiilor îndepărtate pe care astronomii le observă sunt, prin urmare, modificate de materia întunecată din giganţii cosmici.
Okabe afirmă entuziasmat: „Telescopul Subaru este un dispozitiv fantastic pentru lentilele gravitaţionale. El ne permite să măsurăm foarte precis cum materia întunecată din roiurile galactice distorsionează lumina de la galaxiile îndepărtate şi indică mici schimbări în aspectul unui număr imens de galaxii neclare."
Teoria CDM foloseşte două numere pentru a descrie cum se modifică densitatea materiei întunecate în roiurile galactice, din centrul dens al acestora către marginea lor de joasă densitate. Un număr este pur şi simplu masa roiului galactic şi al doilea este aşa-numitul parametru de concentrare. Teoria CDM prezice că roiurile galactice au un parametru de concentrare scăzut (densitate mai mică în regiunile centrale), spre deosebire de galaxiile individuale care au un parametru de concentrare ridicat (densitate mai mare în regiunile centrale).
Echipa a combinat observaţiile de la 50 din cele mai masive roiuri galactice cunoscute într-o singură măsurătoare a mediei parametrului de concentrare al roiurilor galactice masive. Ei au descoperit că parametrul de concentrare, care descrie cum densitatea se modifică de la centru către margine, se potriveşte cu teoria CDM.
În trecut, astronomii au studiat mici pumni de roiuri galactice, găsind că ele au, în general, valori mari pentru parametrii de concentrare, ceea ce sugerează posibile probleme cu teoria CDM. Okabe şi Smith au suspectat că, în cazul în care ei vor utiliza un număr mare de roiuri pentru a măsura media parametrului concentrare, atunci ei ar putea obţine un rezultat diferit. „Noi nu ştim ce vom găsi", comentează Okabe, „am fost curioşi de ceea ce vom găsi, dacă am avea o abordare diferită."
După câţiva ani de observaţii şi analize atente ale datelor, rezultatele vorbesc de la sine. Parametrul de concentrare din roiurile galactice din universul apropiat se potriveşte cu teoria CDM.
Indicii că măsurătorile materiei întunecate într-un număr mare de roiuri galactice ar putea sprijini teoria CDM au apărut în 2010 când această echipă a publicat rezultatele preliminare în publicaţiile Astronomical Society din Japonia. Recent, ei au câştigat premiul acestei societăţi pe anul 2012 pentru această activitate şi acum se bucură de roadele muncii lor dificile urmând a îmbunătăţi analiza lor şi de a extinde studiul lor în anii care vor urma. „Acesta este un rezultat foarte satisfăcător. Noile noastre rezultate sunt bazate pe o foarte atentă analiză a celor mai bune data disponibile", comentează Okabe.
Care este viitorul în ceea ce priveşte continuarea cercetărilor echipei de studiu a materiei întunecate? Smith a declarat că: „nu ne oprim aici. De exemplu, ne putem îmbunătăţi rezultatele prin măsurarea densităţii materiei întunecate la scări chiar mai mici, chiar în centrul acestor grupuri de galaxii. Adăugarea măsurătorilor la scară mai mică ne va ajuta să aflăm mai multe despre materia întunecată în viitor."
Membru al echipei, profesorul Masahiro este, de asemenea, încântat de viitor: „Combinarea observaţiilor de tip lentilă gravitaţională de la mai multe grupuri de galaxii într-o singură măsurătoare ca aceasta reprezintă o tehnică foarte puternică. Astronomii japonezi se pregătesc să utilizeze noua cameră Hyper Suprime-Cam (HSC) a telescopului Subaru pentru a efectua unul dintre cele mai mari studii de galaxii din istoria omenirii. Noile noastre rezultate sunt o confirmare frumoasă a planului nostru de a utiliza HSC pentru studiul lentilelor gravitaţionale."
Traducere de George Cristian Podariu după cosmic-giants-dark, cu acordul Phys.org.
