Denna NASA/ESA Hubble Space Telescope-bild visar den massiva galaxhopen MACSJ 1206. Inbäddade i klustret är de förvrängda bilderna av avlägsna bakgrundsgalaxer, ses som bågar och utsmetade drag. Dessa förvrängningar orsakas av den mörka materien i klustret, vars gravitation böjer och förstorar ljuset från avlägsna galaxer, en effekt som kallas gravitationslinser. Detta fenomen gör det möjligt för astronomer att studera avlägsna galaxer som annars skulle vara för svaga för att se. Kredit:NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (observatoriet för astrofysik och rymdvetenskap i Bologna), P. Natarajan (Yale University), CLASH-teamet, och M. Kornmesser (ESA/Hubble)
Observationer från NASA/ESA rymdteleskop Hubble och European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) i Chile har funnit att något kan saknas i teorierna om hur mörk materia beter sig. Denna saknade ingrediens kan förklara varför forskare har upptäckt en oväntad diskrepans mellan observationer av koncentrationerna av mörk materia i ett urval av massiva galaxhopar och teoretiska datorsimuleringar av hur mörk materia bör fördelas i kluster. De nya fynden indikerar att vissa småskaliga koncentrationer av mörk materia ger linseffekter som är 10 gånger starkare än förväntat.
Mörk materia är det osynliga limmet som håller stjärnorna kvar, damm, och gas tillsammans i en galax. Denna mystiska substans utgör huvuddelen av en galax massa och utgör grunden för vårt universums storskaliga struktur. Eftersom mörk materia inte avger, absorbera, eller reflektera ljus, dess närvaro är endast känd genom dess gravitationskraft på synlig materia i rymden. Astronomer och fysiker försöker fortfarande slå fast vad det är.
Galaxkluster, de mest massiva och nyligen monterade strukturerna i universum, är också de största förråden av mörk materia. Kluster är sammansatta av enskilda medlemsgalaxer som hålls samman till stor del av mörk materias gravitation.
"Galaxkluster är idealiska laboratorier för att studera om de numeriska simuleringarna av universum som för närvarande finns tillgängliga återger väl vad vi kan sluta oss till från gravitationslinser, " sa Massimo Meneghetti från INAF-observatoriet för astrofysik och rymdvetenskap i Bologna i Italien, studiens huvudförfattare.
"Vi har gjort många tester av data i den här studien, och vi är säkra på att denna oöverensstämmelse indikerar att någon fysisk ingrediens saknas antingen från simuleringarna eller från vår förståelse av mörk materias natur, " tillade Meneghetti.
"Det finns en egenskap hos det verkliga universum som vi helt enkelt inte fångar i våra nuvarande teoretiska modeller, " tillade Priyamvada Natarajan från Yale University i Connecticut, U.S., en av de äldre teoretikerna i laget. "Detta kan signalera en lucka i vår nuvarande förståelse av mörk materias natur och dess egenskaper, eftersom dessa utsökta data har tillåtit oss att undersöka den detaljerade fördelningen av mörk materia på de minsta skalorna."
Fördelningen av mörk materia i kluster kartläggs genom att mäta böjningen av ljus – gravitationslinseffekten – som de producerar. Tyngdkraften hos mörk materia koncentrerad i kluster förstorar och förvränger ljus från avlägsna bakgrundsobjekt. Denna effekt producerar förvrängningar i formerna av bakgrundsgalaxer som visas i bilder av klustren. Gravitationslinser kan ofta också producera flera bilder av samma avlägsna galax.
Ju högre koncentration av mörk materia i ett kluster, desto mer dramatisk är dess ljusböjande effekt. Närvaron av klumpar av mörk materia i mindre skala förknippade med individuella galaxkluster ökar nivån av förvrängningar. På något vis, galaxhopen fungerar som en storskalig lins som har många mindre linser inbäddade i sig.
Hubbles skarpa bilder togs av teleskopets Wide Field Camera 3 och Advanced Camera for Surveys. Tillsammans med spektra från European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT), laget producerade en exakt, hifi, mörk materia karta. Genom att mäta linsförvrängningarna kunde astronomer spåra mängden och fördelningen av mörk materia. De tre nyckelgalaxhoparna, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, och Abell S1063, ingick i två Hubble-undersökningar:The Frontier Fields och Cluster Lensing And Supernova-undersökningen med Hubble-program (CLASH).
This Hubble Space Telescope image shows the massive galaxy cluster MACSJ 1206. Embedded within the cluster are the distorted images of distant background galaxies, seen as arcs and smeared features. These distortions are caused by the dark matter in the cluster, whose gravity bends and magnifies the light from faraway galaxies, en effekt som kallas gravitationslinser. This phenomenon allows astronomers to study remote galaxies that would otherwise be too faint to see. Astronomers measured the amount of gravitational lensing caused by this cluster to produce a detailed map of the distribution of dark matter in it. Dark matter is the invisible glue that keeps stars bound together inside a galaxy and makes up the bulk of the matter in the Universe. The Hubble image is a combination of visible- and infrared-light observations taken in 2011 by the Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3. Credit:NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), and the CLASH team.
To the team's surprise, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.
"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."
"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Italien.
By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, lins, background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.
The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.
"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Italien.
"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Italien.
Astronomers, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.
