По-просто казано, не се смята, че Тъмната материя съставлява по-голямата част от масата на Вселената, но и действа като скеле, върху което са изградени галактики. Но за да намерят доказателства за тази мистериозна, невидима маса, учените са принудени да разчитат на косвени методи, подобни на тези, използвани за изследване на черни дупки. По същество те измерват как присъствието на Тъмната материя влияе на звездите и галактиките в близост до нея.
Към днешна дата астрономите са успели да намерят доказателства за струпвания на тъмна материя около средни и големи галактики. Използване на данни от Космически телескоп Хъбъл и нова техника за наблюдение, екип от астрономи от UCLA и NASA JPL установи, че тъмната материя може да образува много по-малки бучки, отколкото се смяташе досега. Тези открития бяха представени тази седмица на 235-ата среща на Американското астрономическо дружество (AAS).
Най-общоприетата теория за Тъмната материя гласи, че тя не е съставена от същите неща като барионни (известни още като нормална или „светеща“ материя) - т.е. протони, неутрони и електрони. Вместо това Тъмната материя е теоретично съставена от някаква неизвестна субатомна частица, която взаимодейства с нормалната материя само чрез гравитацията, най-слабата от основните сили - останалите са електромагнитни, силни и слаби ядрени сили.
Друга широко приета теория гласи, че Тъмната материя се движи бавно в сравнение с други видове частици и затова са склонни да се струпват. В съответствие с тази идея Вселената трябва да съдържа широк спектър от концентрации на тъмна материя, вариращи от малки до големи. Досега обаче не са наблюдавани малки концентрации.
Използвайки данни, получени от Широка полева камера 3 на Хъбъл (WFC3), изследователският екип се опита да намери доказателства за тези малки струпвания, като измери светлината от ярките ядра на осем далечни галактики (известни още като квазари), за да види как е засегната, докато пътува. през пространството. Тази техника, която обикновено се използва от астрономите за изучаване на далечни галактики, звездни клъстери и дори екзопланети, е известна като гравитационно лещиране.
Първоначално предсказана от Теорията на общата относителност на Айнщайн, тази техника разчита на гравитационната сила на големи космически обекти, за да се изкриви и увеличава светлината от по-далечни обекти. Даниел Гилман от UCLA, който беше член на наблюдателния екип, обясни така процеса:
- Представете си, че всяка от тези осем галактики е гигантско лупа. Малките снопчета от тъмна материя действат като малки пукнатини върху лупа, променят яркостта и позицията на четирите изображения на квазара в сравнение с това, което бихте очаквали да видите дали стъклото е гладко. “
Както се надява, Хъбъл изображенията показаха, че светлината, идваща от тези осем квазара, е подложена на ефект на лещите, който съответства на наличието на малки бучки по линията на зрението на телескопа и в и около предните лещи галактики. Осемте квазари и галактики бяха подравнени така прецизно, че изкривяващият ефект произвеждаше четири изкривени изображения на всеки квазар.
Използвайки сложни изчислителни програми и интензивни техники за възстановяване, екипът след това сравнява нивото на изкривяване с прогнозите за това как ще се появят квазарите без влиянието на Тъмната материя. Тези измервания се използват и за изчисляване на масите на концентрациите на тъмната материя, което показва, че те са с 1/10 000-та до 1/100 000-та пъти по-голяма от масата на ореола на Млечния път на Dark Matter.
Освен че за първи път се наблюдават малки концентрации, резултатите от екипа потвърждават и едно от основните прогнози на теорията за „студената тъмна материя“. Тази теория постулира, че тъй като Тъмната материя е бавна (или „студена“), че е в състояние да образува структури, вариращи от малки концентрации до огромни, които са няколко пъти по-големи от масата на Млечния път.
Тази теория също така гласи, че всички галактики във Вселената са се образували в облаци от Тъмната материя, известни като „ореоли“ и са се вградили в тях. Вместо доказателства за малки мащаби, някои изследователи предполагат, че Тъмната материя всъщност може да бъде „топла” - т.е. бързо движеща се - и следователно твърде бърза, за да се образуват по-малки концентрации.
Новите наблюдения обаче дават окончателно доказателство, че теорията за студената тъмна материя и космологичният модел, който поддържа - моделът на Ламбда Студената тъмна материя (? CDM) - е правилна. Както обясни членът на екипа проф. Томазо Треу от Университета на Калифорния, Лос Анджелис (UCLA), тези най-нови Хъбъл наблюденията дават нова представа за природата на тъмната материя и как тя се държи.
„Направихме много завладяващ наблюдателен тест за модела на студената тъмна материя и той преминава с летящи цветове“, каза той. „Невероятно е, че след близо 30 години експлоатация, Хъбъл дава възможност за авангардни гледки към фундаменталната физика и природата на Вселената, за които не сме мечтали, когато стартира телескопът.“
Анна Ниренберг, изследовател от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, която ръководи Хъбъл проучване, обяснено допълнително:
Ловът за концентрации на тъмна материя, лишени от звезди, се оказа предизвикателен. Изследователският екип на Хъбъл обаче използва техника, при която няма нужда да търсят гравитационното влияние на звездите като следовници на тъмната материя. Екипът насочи осем мощни и далечни космически „улични светлини“, наречени квазари (региони около активни черни дупки, които излъчват огромни количества светлина). Астрономите измерват как светлината, излъчвана от кислород и неонов газ, обикалящи около черните дупки на квазарите, се изкривява от гравитацията на масивна преден план галактика, която действа като увеличаваща леща.
Броят на малките структури, открити в изследването, предлага повече улики за естеството на частиците от тъмна материя, тъй като техните свойства биха повлияли на колко струпвания се образуват. Типът на частиците, от които е съставена Dark Matter, обаче остава загадка за момента. За щастие се очаква внедряването на космически телескопи от ново поколение в близко бъдеще да помогне в това отношение.
Те включват космическия телескоп Джеймс Уеб (JWST) и широколентовият инфрачервен телескоп за наблюдение (WFIRST), като и двата са инфрачервени обсерватории, които се планират да се увеличат през това десетилетие. Със своята усъвършенствана оптика, спектрометри, голямо зрително поле и висока разделителна способност, тези телескопи ще могат да наблюдават цели региони на космоса, засегнати от масивни галактики, галактически клъстери и съответните им ореоли.
Това трябва да помогне на астрономите да определят истинската същност на Тъмната материя и как изглеждат съставните й частици. В същото време астрономите планират да използват същите тези инструменти, за да научат повече за Тъмната енергия, друга голяма космологична мистерия, която засега може да се изучава само косвено. Вълнуващите времена предстоят!
