Forskning från University of Pennsylvania skulle kunna kasta ljus över fördelningen av ett av de mest mystiska ämnena i universum.

På 1970-talet forskare märkte något konstigt med galaxernas rörelse. All materia vid kanten av spiralgalaxer roterade lika snabbt som material i den inre delen av galaxen. Men enligt tyngdlagarna, föremål i utkanten ska röra sig långsammare.

Förklaringen:En form av materia som kallas mörk materia som inte direkt interagerar med ljus.

Många forskare tror nu att mer än 80 procent av universums materia är inlåst i mystiska, ännu oupptäckt, partiklar av mörk materia, som påverkar allt från hur föremål rör sig inom en galax till hur galaxer och galaxkluster klumpar ihop sig i första hand.

Denna mörka materia sträcker sig långt bortom räckhåll för de längsta stjärnorna i galaxen, bildar vad forskare kallar en mörk materia -gloria. Medan stjärnor i galaxen alla roterar i en snygg, organiserad disk, dessa mörka materia partiklar är som en svärm av bin, rör sig kaotiskt i slumpmässiga riktningar, vilket håller dem uppblåsta för att balansera tyngdkraften inåt.

Bhuvnesh Jain, en fysikprofessor vid Penns School of Arts &Sciences, och postdoc Eric Baxter bedriver forskning som kan ge nya insikter om strukturen hos dessa glorier.

Forskarna ville undersöka om dessa mörka materia-glorier har en kant eller gräns.

"Människor har i allmänhet föreställt sig en ganska mjuk övergång från materien bunden till galaxen till materien mellan galaxer, som också är gravitationsmässigt attraherad till galaxerna och klustren, " sa Jain. "Men teoretiskt, med datorsimuleringar för några år sedan, forskare vid University of Chicago visade att för galaxhopar förväntas en skarp gräns, ger en distinkt övergång som vi borde kunna se genom en noggrann analys av data."

Forskare tror att denna region, eller "edge" beror på "splashback-effekten".

"Du har en stor gloria av mörk materia som sitter där, "Baxter sa, "och den har samlat materia gravitationsmässigt under hela sin historia. När den materien dras in, det går snabbare och snabbare. När den äntligen faller i glorian, den vänder och börjar kretsa. Den vändningen är vad folk har börjat kalla splashback, eftersom saker stänker tillbaka i någon mening."

När saken "stänker tillbaka, " det saktar ner. Eftersom denna effekt sker i många olika riktningar, det leder till en ansamling av materia precis vid kanten av halo och en brant nedgång i mängden materia precis utanför den positionen. Detta är vad Penn-forskarna utforskade i data.

Med hjälp av en galaxundersökning kallad Sloan Digital Sky Survey, eller SDSS, Baxter och Jain tittade på fördelningen av galaxer runt kluster. De bildade ett team av experter vid University of Chicago och andra institutioner runt om i världen för att undersöka tusentals galaxkluster. Med hjälp av statistiska verktyg för att göra en gemensam analys av flera miljoner galaxer runt dem, de hittade en droppe vid kanten av klungan. Baxter och samarbetspartner Chihway Chang vid University of Chicago ledde ett papper som rapporterade resultaten, godkänd för publicering i Astrofysisk tidskrift .

Förutom att se den här kanten när de tittade på galaxfördelningen, forskarna såg också bevis på det i form av galaxfärger.

När en galax är full av gas och bildar många stora, heta stjärnor, värmen får den att se blå ut när forskare tar bilder av den.

"Men de där stora stjärnorna lever väldigt korta liv, " sa Baxter. "De sprängs. Det du har kvar är dessa mindre, äldre stjärnor som lever under långa perioder, och de är röda."

När forskare tittar på galaxer inom kluster, de ser röda ut eftersom de inte bildar stjärnor.

"Tidigare studier har visat att det finns interaktioner inuti klustret som kan få galaxer att sluta bilda stjärnor, ", sa Baxter. "Du kan till exempel föreställa dig att en galax faller in i en klunga, och gasen från galaxen avlägsnas av gas i klustret. Efter att ha tappat sin gas, galaxen kommer inte att kunna bilda många stjärnor. "

På grund av detta, forskare förväntar sig att galaxer som har tillbringat mer tid i kretslopp genom ett kluster kommer att se röda ut, medan galaxer som precis börjar falla in kommer att se blåa ut.

Forskarna märkte en plötslig förändring i galaxernas färger precis vid gränsen, ger dem mer bevis på att gloria av mörk materia har en kant.

"Det var verkligen intressant och överraskande att se denna skarpa förändring i färger, "Jain sa, "eftersom förändringen av galaxens färger är en mycket långsam och komplex process."

Forskarna arbetar med ett annat papper med en djupare undersökning av över hundra miljoner galaxer som kallas Dark Energy Survey, eller DES.

Både SDSS och DES gör massiva kartor över himlen med en enorm kamera som Jain sa inte skiljer sig väsentligt från kamerorna i smartphones utan större och mer exakt och kostar miljontals dollar att bygga.

I DES, när kameran öppnas, det tar en exponering på ett par minuter, och flyttar sedan till en annan del av himlen. Denna process upprepas under flera år med hjälp av olika filter för att göra det möjligt för forskare att få en undersökning i flera färger.

DES tillåter forskarna att göra utökade mätningar, skjuta till högre avstånd.

Istället för att mäta fördelningen av galaxer, forskarna använder ett astrofysiskt fenomen som kallas gravitationslinser för att undersöka den mörka materiens halos. Vid gravitationslinser, ljus som kommer till en observatör böjer sig när materia utövar gravitationskraft på den.

Forskarna kan analysera bilder av himlen för att se hur kluster sträcker ut bilder av galaxerna bakom dem.

"Ljuset kommer att böjas om det finns massa, ", sa Baxter. "Genom att mäta dessa avböjningar kan vi mäta massan direkt vilket är kallt eftersom det mesta av massan är mörk materia som vi inte kan se så det är ett slags unikt sätt att undersöka den mörka materian."

När det gäller grundläggande förståelse av universum, Baxter sa, mörk materia är ett av de största mysterierna som finns just nu.

"Du tittar i himlen, även med de största optiska teleskopen, och du ser ingenting bortom galaxernas ljus, " sa Jain. "Det finns bara den här mörka materien."

Forskarna hoppas att deras forskning kommer att bidra till en bättre förståelse av den mystiska substansen som utgör cirka 80 procent av materia i universum. Om de kan markera kanten på en halo av mörk materia, det skulle göra det möjligt för dem att testa saker som Einsteins teori om gravitation och mörk materias natur.

"Det är bara ett nytt sätt att se på kluster, "Sa Jain." När du väl har hittat gränsen kan du studera både standardfysiken för hur galaxer interagerar med klustret och den möjliga okända fysiken för vad mörk materia och gravitation har. "