Folosind telescopul spaţial Hubble al NASA/ESA, astronomii au studiat un filament gigant de materie întunecată în 3D pentru prima dată. Acesta se extinde pe o distanţă de 60 de milioane de ani-lumină dintr-unul din cele mai masive roiuri de galaxii cunoscute.
Filamentul este parte a ţesăturii cosmice care constituie structura de scară largă a Universului şi este o rămăşiţă a primelor momente de după Big Bang. Dacă masa impresionantă măsurată a filamentului este reprezentativă pentru restul Universului, atunci aceste structuri ar putea conţine mai mult de jumătate din toată masa din Univers.
Această imagine imensă înfăţişează observaţiile făcute de telescopul Hubble asupra roiului masiv de galaxii MACS J0717.5+3745. Câmpul larg de vedere este o combinaţie a 18 imagini separate obţinute de Hubble. Prin studierea efectelor de distorsiune ale gravitaţiei asupra luminii venite dinspre galaxiile din fundal, o echipă de astronomi a dezvăluit prezenţa unui filament de materie întunecată care se extinde din centrul roiului. Locaţia materiei întunecate este dezvăluită pe o hartă a masei roiului şi regiunii înconjurătoare, reprezentată mai sus în albastru. Filamentul se extinde vizibil în exterior spre stânga centrului roiului. Folosind observaţii suplimentare provenite de la telescoapele terestre, echipa a reuşit să cartografieze structura filamentului în trei dimensiuni, aceasta fiind o premieră absolută. A fost descoperit faptul că filamentul se extinde în spatele centrului roiului, ceea ce înseamnă că noi privim prin el. Credit: NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (LAM).
Teoria Big Bang-ului prezice că variaţiile în densitatea materiei din primele momente ale Universului au făcut ca aceasta să condenseze de-a lungul întregului cosmos într-o ţesătură alambicată de filamente. Această abordare este susţinută de simulări computerizate ale evoluţiei cosmosului, care sugerează că Universul este structurat precum o pânză, cu lungi filamente ce se conectează între ele în locaţiile roiurilor masive de galaxii. Totuşi, aceste filamente, deşi vaste, sunt alcătuite în mare parte din materie întunecată, care este incredibil de dificil de observat.
Prima identificare convingătoare a unei secţiuni a unui astfel de filament a fost făcută mai devreme în acest an. În prezent o echipă de astronomi a mers mai departe, sondând structura filamentului în trei dimensiuni. Observarea unui filament în 3D elimină multe dintre neajunsurile care sunt asociate cu studiul imaginii plane a unei asemenea structuri.
„Filamentele ţesăturii cosmice sunt extinse enorm şi foarte difuze, ceea ce le face extrem de dificil de detectat, darămite studiate în 3D”, spune Mathilde Jauzac, prim-autor al lucrării (LAM, France şi University of KwaZulu-Natal, Africa de Sud).
Echipa a combinat imaginile de înaltă rezoluţie ale regiunii din jurul masivului roi de galaxii MACS J0717.5+3745 (pe scurt MACS J0717), făcute folosind telescopul Hubble, telescopul Subaru al NAOJ şi telescopul Canada-France-Hawaii, cu date spectroscopice de la galaxiile componente ale roiului de la WM Keck Observatory şi Gemini Observatory. Analiza acestor date cumulate oferă o imagine completă asupra formei filamentului care se extinde din roiul de galaxii aproximativ de-a lungul câmpului nostru vizual.
Acest film arată o simulare computerizată a formei filamentului de materie întunecată care se extinde în spatele roiului de galaxii în fundal. De menţionat e că în timp ce determinarea poziţiilor 2D ale galaxiilor cu ajutorul lui Hubble este foarte precisă, măsurătorile distanţelor în astronomie conţin întotdeauna un grad de incertitudine. Datorită deviaţiilor inerente acestor măsurători, lungimea şi orientarea filamentului calculată de cercetători este derivată dintr-o analiză statistică – acurateţea locaţiei oricărei galaxii individuale este scăzută. Pentru scopul acestei ilustraţii, perspectiva a fost uşor comprimată pentru a reduce deviaţia poziţiilor galaxiilor, în timp ce filamentul de materie întunecată este o reprezentare artistică bazată pe modelele structurii filamentului făcute de oamenii de ştiinţă.
Reţeta folosită de echipă pentru studiul vastului, dar difuzului filament combină câteva ingrediente foarte importante.
Primul ingredient: O ţintă promiţătoare. Teoriile evoluţiei cosmice sugerează că roiurile de galaxii se formează acolo unde filamentele ţesăturii cosmice se întâlnesc, aceste filamente alimentând progresiv roiurile cu materie. „Din munca noastră precedentă asupra MACS J0717, ştiam că acest roi de galaxii creşte în mod activ şi astfel devine o ţintă primară pentru un studiu detaliat asupra ţesăturii cosmice”, explică coautorul Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa, USA), care a condus echipa ce a descoperit clusterul MACS J0717 cu aproape un deceniu în urmă.
Al doilea ingredient: tehnici avansate de lentilă gravitaţională. Faimoasa teorie a relativităţii generale a lui Albert Einstein spune că drumul parcurs de lumină este deviat atunci când trece prin sau pe lângă un obiect cu masă însemnată. Filamentele ţesăturii cosmice sunt în mare parte alcătuite din materie întunecată ce nu poate fi văzută direct, însă masa lor este suficientă pentru a devia lumina şi a distorsiona imaginile galaxiilor din fundal, printr-un proces numit lentilă gravitaţională. Echipa a dezvoltat noi instrumente pentru a converti distorsiunile imaginii într-o hartă a masei.
Al treilea ingredient: Imagini de înaltă rezoluţie. Efectul de lentilă gravitaţională este un fenomen subtil şi studierea lui necesită imagini detaliate. Observaţiile cu ajutorul lui Hubble au permis echipei să studieze deformaţiile exacte de formă a numeroaselor galaxii mărite. Aceasta, în schimb, dezvăluie unde se află filamentul ascuns de materie întunecată. „Provocarea”, spune, coautorul Jean-Paul Kneib (LAM France), „a fost să găsim un model al formei roiului de galaxii care era în concordanţă cu toate caracteristicile efectului de lentilă pe care le observam.”
În final: Măsurătorile distanţelor şi deplasărilor. Observaţiile cu ajutorul lui Hubble asupra roiului oferă cea mai bună hartă bidimensională a filamentului de până acum, dar pentru a-i vedea forma în 3D erau necesare observaţii suplimentare. Imagini color, precum şi vitezele galaxiilor măsurate cu spectrometre, folosind date de la telescoapele Subaru, CFHT, WM Keck şi Gemini Nord (toate pe Mauna Kea, Hawaii), au permis echipei să localizeze mii de galaxii din filament şi să detecteze mişcările multora dintre ele.
Un model care a combinat informaţii asupra poziţiei şi vitezelor pentru toate aceste galaxii a fost creat şi acesta a dezvăluit apoi forma 3D şi orientarea structurii filamentului. Drept rezultat, echipa a putut să măsoare adevăratele proprietăţi ale acestei subtile structuri de tip filament fără incertitudini şi neajunsuri care decurg din proiectarea structurii în două dimensiuni, ceea ce este obişnuit în astfel de analize.
Rezultatele obţinute duc mai departe limitele predicţiilor făcute de munca teoretică şi simulările numerice asupra ţesăturii cosmice. Cu o lungime de cel puţin 60 de milioane de ani-lumină, filamentul MACS J0717 este extrem chiar şi la scări astronomice. Iar dacă masa componentă măsurată de către echipă poate fi luată drept reprezentativă pentru filamentele de lângă roiurile gigante, atunci aceste legături difuze dintre nodurile ţesăturii cosmice pot conţine chiar mai multă masă (sub forma materiei întunecate) decât au prezis teoreticienii. Atât de multă încât mai mult de jumătate din masa totală din Univers ar putea fi ascunsă în aceste structuri.
Viitorul telescop James Webb al NASA/ESA/CSA, programat pentru lansare în 2018, va constitui un instrument puternic pentru detectarea filamentelor în ţesătura cosmică, datorită sensibilităţii substanţial crescute.
Mai multe informaţii, aici.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Dark matter filament studied in 3-D for the first time, cu acordul Phys.org.
