Den sanna naturen hos mörk materia är ett av de största mysterierna i universum. Forskare försöker bestämma exakt vad mörk materia är gjord av så att de kan upptäcka det direkt, men vår nuvarande förståelse har så många luckor, det är svårt att veta precis vad vi letar efter. WFIRSTs förmåga att kartlägga breda delar av universum kommer att hjälpa oss att ta reda på vad mörk materia kan vara gjord av genom att utforska strukturen och fördelningen av både materia och mörk materia över rum och tid.

Varför är mörk materia ett så förbryllande ämne? Forskare misstänkte först dess existens för över 80 år sedan när den schweizisk-amerikanske astronomen Fritz Zwicky observerade att galaxer i Coma-klustret rörde sig så snabbt att de borde ha slungats ut i rymden - men de förblev gravitationsmässigt bundna till klustret av osynlig materia. Sedan på 1970-talet, Den amerikanska astronomen Vera Rubin upptäckte samma typ av problem i enskilda spiralgalaxer. Stjärnor mot kanten av galaxen rör sig för snabbt för att hållas inne av galaxens lysande materia – det måste finnas mycket mer materia än vi kan se i dessa galaxer för att hålla stjärnorna i omloppsbana. Ända sedan dessa upptäckter, forskare har försökt lägga pusslet med glesa ledtrådar.

Det finns för närvarande ett brett utbud av kandidater för mörk materia. Vi har inte ens en bra uppfattning om hur massan av mörk materia partiklar kan vara, vilket gör det svårt att komma fram till hur man bäst söker efter dem. WFIRST:s breda fältundersökningar kommer att ge en heltäckande titt på fördelningen av galaxer och galaxhopar över universum i de mest detaljerade mörk materiastudier som någonsin genomförts, tack vare mörk materias gravitationseffekter. Dessa undersökningar kommer att ge ny insikt om den grundläggande naturen hos mörk materia, vilket gör det möjligt för forskare att finslipa sina söktekniker.

De flesta teorier om naturen hos mörk materia partiklar tyder på att de nästan aldrig interagerar med normal materia. Även om någon tappade en stor bit mörk materia på ditt huvud, du skulle förmodligen inte uppfatta något. Du skulle inte ha något sätt att upptäcka dess närvaro - alla dina sinnen är omtvistade när det kommer till mörk materia. Du skulle inte ens hindra den från att rusa rakt igenom din kropp och vidare mot jordens kärna.

Detta händer inte med vanlig materia, som katter eller människor, eftersom krafter mellan atomerna i marken och atomerna i våra kroppar hindrar oss från att falla genom jordens yta, men mörk materia beter sig konstigt. Mörk materia är så oansenlig att den till och med är osynlig för teleskop som observerar kosmos i former av ljus som våra ögon inte kan se, från radiovågor till högenergiska gammastrålar.

"Lensar" mörk materia

Om mörk materia är osynlig, hur vet vi att det finns? Även om mörk materia inte interagerar med normal materia i de flesta fall, det påverkar det gravitationsmässigt (vilket är hur det först upptäcktes för decennier sedan), så vi kan kartlägga dess närvaro genom att titta på kluster av galaxer, de mest massiva strukturerna i universum.

Ljus färdas alltid i en rak linje, men rum-tid – universums väv – kröks av masskoncentrationer inom det. Så när ljus passerar en massa, dess väg kurvor också:en rak linje i ett krökt utrymme. Ljus som normalt skulle passera nära en galaxhop böjer sig istället mot och runt den, producera intensifierade – och ibland flera – bilder av bakgrundskällan. Denna process, kallas stark gravitationslinsning, omvandlar galaxhopar till kolossala naturliga teleskop som ger oss en glimt av avlägsna kosmiska objekt som normalt skulle vara för svaga för att vara synliga.

Eftersom mer materia leder till starkare linseffekter, gravitationslinsobservationer ger ett sätt att bestämma platsen och mängden materia i galaxhopar. Forskare har upptäckt att all synlig materia vi ser i galaxhopar inte är tillräckligt för att skapa de observerade skevningseffekterna. Mörk materia ger överskottet av gravitationen.

Forskare har bekräftat tidigare observationer genom att mäta hur mycket materia i det mycket tidiga universum som är "normalt" och hur mycket som är "mörkt" med hjälp av experiment som NASA:s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Även om normal materia utgör allt vi kan se, universum måste innehålla mer än fem gånger så mycket mörk materia för att passa observationerna.

WFIRST kommer att bygga på tidigare studier av mörk materia genom att använda så kallad svag gravitationslins som spårar hur mindre klumpar av mörk materia förvränger de uppenbara formerna av mer avlägsna galaxer. Att observera linseffekter på denna mer raffinerade skala kommer att göra det möjligt för forskare att fylla i fler av luckorna i vår förståelse av mörk materia.

Uppdraget kommer att mäta placeringen och mängden av både normal materia och mörk materia i hundratals miljoner galaxer. Genom hela den kosmiska historien, mörk materia har drivit på hur stjärnor och galaxer bildades och utvecklades. Om mörk materia består av tung, tröga partiklar, det skulle lätt klumpas ihop och WFIRST borde se galaxbildning tidigt i den kosmiska historien. Om mörk materia består av ljusare, snabbare rörliga partiklar, det borde ta längre tid att sätta sig i klumpar och för storskaliga strukturer att utvecklas.

WFIRST:s gravitationslinsstudier kommer att tillåta oss att titta tillbaka i tiden för att spåra hur galaxer och galaxhopar bildades under påverkan av mörk materia. Om astronomer kan begränsa kandidaterna för partiklar av mörk materia, vi kommer att vara ett steg närmare att äntligen upptäcka dem direkt i experiment på jorden.