Två massiva galaxhopar – Abell S1063 (vänster) och MACS J0416.1-2403 (höger) – visar ett mjukt blått dis, kallas intraklusterljus, inbäddad bland otaliga galaxer. Intraklusterljuset produceras av föräldralösa stjärnor som inte längre tillhör någon enskild galax, efter att ha kastats loss under en våldsam galaxinteraktion, och driver nu fritt genom galaxhopen. Astronomer har funnit att intraklusterljus stämmer överens med en karta över massfördelningen i klustrets övergripande gravitationsfält. Detta gör det blå "spökljuset" till en bra indikator på hur osynlig mörk materia är fördelad i klustret. Mörk materia är en viktig felande länk i vår förståelse av universums struktur och utveckling. Abell S1063 och MACS J0416.1-2403 var de starkaste exemplen på intraklusterljus som gav en mycket bättre matchning med klustrets masskarta än röntgenljus, som har använts tidigare för att spåra mörk materia. Kredit:NASA, ESA, och M. Montes (University of New South Wales)
En ny titt på Hubble-bilder av galaxer kan vara ett steg mot att belysa mörk materias svårfångade natur, det oobserverbara materialet som utgör majoriteten av universum, enligt en studie publicerad online idag i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
Genom att använda Hubbles tidigare observationer av sex massiva galaxhopar i Frontier Fields-programmet, astronomer visade att intraklusterljus – det diffusa skenet mellan galaxer i ett kluster – spårar mörk materias väg, belyser dess distribution mer exakt än befintliga metoder som observerar röntgenljus.
Intraklusterljus är biprodukten av interaktioner mellan galaxer som stör deras strukturer; i kaoset, enskilda stjärnor kastas fria från sina gravitationsförtöjningar i sin hemgalax för att anpassa sig till gravitationskartan för den övergripande klungan. Det är också här den stora majoriteten av mörk materia finns. Röntgenljus indikerar var grupper av galaxer kolliderar, men inte klustrets underliggande struktur. Detta gör det till ett mindre exakt spår av mörk materia.
"Anledningen till att intraklusterljus är ett så utmärkt spårare av mörk materia i en galaxhop är att både den mörka materian och dessa stjärnor som bildar intraklusterljuset svävar fritt på gravitationspotentialen hos själva klustret - så de följer exakt samma gravitation, " sa Mireia Montes vid University of New South Wales i Sydney, Australien, som är medförfattare till studien. "Vi har hittat ett nytt sätt att se platsen där den mörka materien ska vara, eftersom du spårar exakt samma gravitationspotential. Vi kan belysa, med ett mycket svagt sken, mörk materias position."
Montes betonar också att metoden inte bara är korrekt, men det är mer effektivt genom att det endast använder djupavbildning, snarare än det mer komplexa, tidskrävande tekniker för spektroskopi. Detta innebär att fler kluster och objekt i rymden kan studeras på kortare tid – vilket betyder fler potentiella bevis på vad mörk materia består av och hur den beter sig.
"Denna metod ger oss möjlighet att karakterisera, på ett statistiskt sätt, mörk materias yttersta natur, sa Montes.
"Idén till studien väcktes när man tittade på de orörda bilderna från Hubble Frontier Field, " sa studiens medförfattare Ignacio Trujillo vid Canary Islands Institute of Astronomy på Teneriffa, Spanien, som tillsammans med Montes hade studerat intraklusterljus i flera år. "Hubble Frontier Fields visade intraklusterljus i oöverträffad klarhet. Bilderna var inspirerande, " sa Trujillo. "Ändå, Jag förväntade mig inte att resultaten skulle vara så exakta. Implikationerna för framtida rymdbaserad forskning är mycket spännande."
"Astronomerna använde Modified Hausdorff Distance (MHD), ett mått som används i formmatchning, att mäta likheterna mellan konturerna av intraklusterljuset och konturerna av de olika masskartorna för klustren, som tillhandahålls som en del av data från Hubble Frontier Fields-projektet, inrymt i Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST). MHD är ett mått på hur långt två delmängder är från varandra. Ju mindre värdet på MHD, desto mer lika de två punktsatserna är. Denna analys visade att ljusfördelningen inom kluster som sågs i Hubble Frontier Fields-bilderna matchade massfördelningen av de sex galaxhoparna bättre än röntgenstrålning, som härlett från arkiverade observationer från Chandra X-ray Observatorys Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS).
Utöver denna inledande studie, Montes och Trujillo ser flera möjligheter att utöka sin forskning. Att börja, de skulle vilja öka observationsradien i de ursprungliga sex klustren, för att se om graden av spårningsnoggrannhet håller i sig. Ett annat viktigt test av deras metod kommer att vara observation och analys av ytterligare galaxhopar av fler forskarlag, att lägga till datamängden och bekräfta sina resultat.
Astronomerna ser också fram emot tillämpningen av samma teknik med framtida kraftfulla rymdbaserade teleskop som James Webb Space Telescope och WFIRST, som kommer att ha ännu känsligare instrument för att lösa upp svagt intraklusterljus i det avlägsna universum.
Trujillo skulle vilja testa att skala ner metoden från massiva galaxhopar till enstaka galaxer. "Det skulle vara fantastiskt att göra detta på galaktisk skala, till exempel utforska stjärngloriorna. I princip borde samma idé fungera; stjärnorna som omger galaxen som ett resultat av den sammanslagna aktiviteten borde också följa galaxens gravitationspotential, belyser platsen och fördelningen av mörk materia."
Hubble Frontier Fields-programmet var ett initiativ för djupavbildning utformat för att använda det naturliga förstoringsglaset av galaxhopars gravitation för att se extremt avlägsna galaxer bortom dem, och därigenom få insikt i det tidiga (fjärran) universum och galaxernas utveckling sedan den tiden. I den studien var det diffusa intraklusterljuset ett irritationsmoment, delvis skymmer de avlägsna galaxerna bortom. Dock, det svaga skenet kan sluta kasta betydande ljus över ett av astronomins stora mysterier:mörk materias natur.
