Den här grafiken illustrerar hur ljuset från en avlägsen kvasar förändras av en massiv förgrundsgalax och av små klumpar av mörk materia längs ljusbanan. Galaxens kraftfulla gravitation förvränger och förstorar kvasarens ljus, producera fyra förvrängda bilder av kvasaren. Klumparna av mörk materia finns längs med Hubble Space Telescopes siktlinje till kvasaren, såväl som inom och runt förgrundsgalaxen. Närvaron av de mörka materieklumparna förändrar den skenbara ljusstyrkan och positionen för varje förvrängd kvasarbild genom att förvränga och böja ljuset något när det färdas från den avlägsna kvasaren till jorden, som representeras av de vickande linjerna i grafiken. Astronomer jämförde dessa mätningar med förutsägelser om hur kvasarbilderna skulle se ut utan påverkan av de mörka materieklumparna. Forskarna använde dessa mätningar för att beräkna massorna av de små koncentrationerna av mörk materia. Mörk materia är ett osynligt ämne som utgör huvuddelen av universums massa och skapar byggnadsställningarna som galaxer är byggda på. Fyrdubbla bilder av en kvasar är sällsynta eftersom bakgrundskvasaren och förgrundsgalaxen kräver en nästan perfekt inriktning. Kredit:NASA, ESA, och D. Player (STScI)
När du söker efter mörk materia, astronomer måste gå på en sorts "spökjakt". Det beror på att mörk materia är en osynlig substans som inte kan ses direkt. Ändå utgör den huvuddelen av universums massa och bildar byggnadsställningarna som galaxer är byggda på. Mörk materia är gravitations-"limet" som håller galaxer såväl som galaxhopar samman. Astronomer kan upptäcka dess närvaro indirekt genom att mäta hur dess gravitation påverkar stjärnor och galaxer.
Den mystiska substansen är inte sammansatt av samma saker som stjärnorna utgör, planeter, och människor. Det materialet är normal "baryonisk" materia, som består av elektroner, protoner, och neutroner. Dock, mörk materia kan vara någon sorts okänd subatomär partikel som interagerar svagt med normal materia.
En populär teori säger att partiklar av mörk materia inte rör sig särskilt snabbt, vilket gör det lättare för dem att klumpa ihop sig. Enligt denna idé, universum innehåller ett brett spektrum av koncentrationer av mörk materia, från liten till stor.
Astronomer har upptäckt klumpar av mörk materia runt stora och medelstora galaxer. Nu, med hjälp av Hubble och en ny observationsteknik, astronomer har funnit att mörk materia bildar mycket mindre klumpar än tidigare känt.
Forskarna sökte efter små koncentrationer av mörk materia i Hubble-data genom att mäta hur ljuset från avlägsna kvasarer påverkas när det färdas genom rymden. Kvasarer är de ljusa svarthålsdrivna kärnorna i mycket avlägsna galaxer. Hubble-bilderna visar att ljuset från dessa kvasarbilder förvrängs och förstoras av gravitationen hos massiva förgrundsgalaxer i en effekt som kallas gravitationslinsning. Astronomer använde denna linseffekt för att upptäcka de små mörka materieklumparna. Klumparna är placerade längs teleskopets siktlinje till kvasarerna, såväl som i och runt linsande galaxer i förgrunden.
Var och en av dessa ögonblicksbilder av rymdteleskopet Hubble avslöjar fyra förvrängda bilder av en bakgrundskvasar och dess värdgalax som omger den centrala kärnan av en massiv galax i förgrunden. Tyngdkraften hos den massiva förgrundsgalaxen fungerar som ett förstoringsglas genom att förvränga kvasarens ljus i en effekt som kallas gravitationslinsning. Kvasarer är extremt avlägsna kosmiska gatlyktor som produceras av aktiva svarta hål. Sådana fyrdubbla bilder av kvasarer är sällsynta på grund av den nästan exakta anpassningen som behövs mellan förgrundsgalaxen och bakgrundskvasaren. Astronomer använde gravitationslinseffekten för att upptäcka de minsta klumpar av mörk materia som någonsin hittats. Klumparna är placerade längs teleskopets siktlinje till kvasarerna, såväl som i och runt linsande galaxer i förgrunden. Närvaron av koncentrationerna av mörk materia förändrar den skenbara ljusstyrkan och positionen för varje förvrängd kvasarbild. Astronomer jämförde dessa mätningar med förutsägelser om hur kvasarbilderna skulle se ut utan påverkan av de mörka materieklumparna. Forskarna använde dessa mätningar för att beräkna massorna av de små koncentrationerna av mörk materia. Hubbles Wide Field Camera 3 fångade det nära-infraröda ljuset från varje kvasar och spred det i dess komponentfärger för studier med spektroskopi. Bilderna togs mellan 2015 och 2018. Kredit:NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) och T. Treu (UCLA)
Med hjälp av NASA:s Hubble Space Telescope och en ny observationsteknik, astronomer har funnit att mörk materia bildar mycket mindre klumpar än tidigare känt. Detta resultat bekräftar en av de grundläggande förutsägelserna i den allmänt accepterade teorin om "kall mörk materia".
Alla galaxer, enligt denna teori, bildas och är inbäddade i moln av mörk materia. Mörk materia i sig består av långsamma, eller "kallt, " partiklar som går samman för att bilda strukturer som sträcker sig från hundratusentals gånger massan av Vintergatans galax till klumpar som inte är mer massiva än tyngden av ett kommersiellt flygplan. (I detta sammanhang, "kall" hänvisar till partiklarnas hastighet.)
Hubble-observationen ger nya insikter om mörk materias natur och hur den beter sig. "Vi gjorde ett mycket övertygande observationstest för modellen med kall mörk materia och den klarar sig med glans, sa Tommaso Treu vid University of California, Los Angeles (UCLA), en medlem av observationsgruppen.
Mörk materia är en osynlig form av materia som utgör huvuddelen av universums massa och skapar byggnadsställningarna som galaxer är byggda på. Även om astronomer inte kan se mörk materia, de kan upptäcka dess närvaro indirekt genom att mäta hur dess gravitation påverkar stjärnor och galaxer. Att upptäcka de minsta formationerna av mörk materia genom att leta efter inbäddade stjärnor kan vara svårt eller omöjligt, eftersom de innehåller väldigt få stjärnor.
Även om koncentrationer av mörk materia har upptäckts runt stora och medelstora galaxer, mycket mindre klumpar av mörk materia har inte hittats förrän nu. I avsaknad av observationsbevis för sådana småskaliga klumpar, vissa forskare har utvecklat alternativa teorier, inklusive "varm mörk materia". Denna idé antyder att mörk materia partiklar rör sig snabbt, zippa för snabbt för att smälta samman och bilda mindre koncentrationer. De nya observationerna stöder inte detta scenario, att finna att mörk materia är "kallare" än vad det skulle behöva vara i alternativteorin för varm mörk materia.
"Mörk materia är kallare än vi visste i mindre skalor, " sa Anna Nierenberg från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, ledare för Hubble-undersökningen. "Astronomer har utfört andra observationstester av teorier om mörk materia tidigare, men vårt ger det starkaste beviset hittills för närvaron av små klumpar av kall mörk materia. Genom att kombinera de senaste teoretiska förutsägelserna, statistiska verktyg, och nya Hubble-observationer, vi har nu ett mycket mer robust resultat än vad som tidigare varit möjligt."
Att jaga efter koncentrationer av mörk materia utan stjärnor har visat sig vara utmanande. Hubble-forskargruppen, dock, använde en teknik där de inte behövde leta efter gravitationspåverkan från stjärnor som spår av mörk materia. Teamet riktade in sig på åtta kraftfulla och avlägsna kosmiska "gatljus, " kallas kvasarer (regioner runt aktiva svarta hål som avger enorma mängder ljus). Astronomerna mätte hur ljuset som sänds ut av syre och neongas som kretsar kring vart och ett av kvasarernas svarta hål förvrängs av gravitationen hos en massiv förgrundsgalax, som fungerar som en förstoringslins.
Med denna metod, teamet upptäckte klumpar av mörk materia längs teleskopets siktlinje till kvasarerna, såväl som i och runt de mellanliggande linsgalaxerna. Koncentrationerna av mörk materia som upptäckts av Hubble är 1/10, 000:e till 1/100, 000:e gånger massan av Vintergatans mörka materia-gloria. Många av dessa små grupperingar innehåller sannolikt inte ens små galaxer, och därför skulle ha varit omöjligt att upptäcka med den traditionella metoden att leta efter inbäddade stjärnor.
De åtta kvasarerna och galaxerna var inriktade så exakt att vridningseffekten, kallad gravitationslinsning, producerade fyra förvrängda bilder av varje kvasar. Effekten är som att titta på en funhouse-spegel. Sådana fyrdubbla bilder av kvasarer är sällsynta på grund av den nästan exakta anpassningen som behövs mellan förgrundsgalaxen och bakgrundskvasaren. Dock, forskarna behövde flera bilder för att göra en mer detaljerad analys.
Närvaron av de mörka materieklumparna förändrar den skenbara ljusstyrkan och positionen för varje förvrängd kvasarbild. Astronomer jämförde dessa mätningar med förutsägelser om hur kvasarbilderna skulle se ut utan påverkan av mörk materia. Forskarna använde mätningarna för att beräkna massorna av de små koncentrationerna av mörk materia. För att analysera data, forskarna utvecklade också utarbetade datorprogram och intensiva rekonstruktionstekniker.
"Föreställ dig att var och en av dessa åtta galaxer är ett gigantiskt förstoringsglas, " förklarade teammedlemmen Daniel Gilman från UCLA. "Små klumpar av mörk materia fungerar som små sprickor på förstoringsglaset, ändra ljusstyrkan och positionen för de fyra kvasarbilderna jämfört med vad du skulle förvänta dig att se om glaset var slätt."
Forskarna använde Hubbles Wide Field Camera 3 för att fånga det nära-infraröda ljuset från varje kvasar och sprida det i dess komponentfärger för studier med spektroskopi. Unika emissioner från bakgrundskvasarerna ses bäst i infrarött ljus. "Hubbles observationer från rymden tillåter oss att göra dessa mätningar i galaxsystem som inte skulle vara tillgängliga med den lägre upplösningen av markbaserade teleskop - och jordens atmosfär är ogenomskinlig för det infraröda ljuset vi behövde observera, " förklarade teammedlemmen Simon Birrer från UCLA.
Treu tillade:"Det är otroligt att efter nästan 30 års verksamhet, Hubble möjliggör banbrytande syn på fundamental fysik och universums natur som vi inte ens drömde om när teleskopet lanserades."
Gravitationslinserna upptäcktes genom att sålla igenom markbaserade undersökningar som Sloan Digital Sky Survey och Dark Energy Survey, som ger de mest detaljerade tredimensionella kartorna över universum som någonsin gjorts. Kvasarerna är belägna ungefär 10 miljarder ljusår från jorden; förgrundsgalaxerna, cirka 2 miljarder ljusår.
Antalet små strukturer som upptäckts i studien ger fler ledtrådar om mörk materias natur. "Partikelegenskaperna hos mörk materia påverkar hur många klumpar som bildas, " Nierenberg förklarade. "Det betyder att du kan lära dig om partikelfysiken för mörk materia genom att räkna antalet små klumpar."
Dock, vilken typ av partikel som utgör mörk materia är fortfarande ett mysterium. "För närvarande, Det finns inga direkta bevis i labbet för att mörk materia finns, " sa Birrer. "Partikelfysiker skulle inte ens prata om mörk materia om kosmologerna inte sa att den finns där, baserat på observationer av dess effekter. När vi kosmologer talar om mörk materia, vi frågar, "Hur styr det universums utseende, och på vilken skala?'"
Astronomer kommer att kunna genomföra uppföljande studier av mörk materia med hjälp av framtida NASA-rymdteleskop som James Webb Space Telescope och Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), båda infraröda observatorier. Webb kommer att vara kapabel att effektivt erhålla dessa mätningar för alla kända kvasarer med fyrdubbla linser. WFIRST:s skärpa och stora synfält kommer att hjälpa astronomer att göra observationer av hela den region i rymden som påverkas av det enorma gravitationsfältet hos massiva galaxer och galaxhopar. Detta kommer att hjälpa forskare att upptäcka många fler av dessa sällsynta system.
Teamet kommer att presentera sina resultat vid det 235:e mötet i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.
