Ciemna materia złapana na gorącym uczynku. Myśleli, że to błąd danych
To, co początkowo wyglądało na błąd w danych, okazuje się kluczem do rozwiązania jednej z największych tajemnic Wszechświata: natury ciemnej materii.
Kiedy fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Rutgers, Charles Keeton, zobaczył zdjęcie podesłane przez kolegę, zamarł. Z pozoru wyglądało ono na rzadki, ale dobrze znany układ zwany Krzyżem Einsteina - zjawisko, w którym światło odległej galaktyki zostaje zakrzywione przez grawitację bliższych galaktyk i rozszczepione na cztery obrazy. Tyle że tym razem coś się nie zgadzało. Pośrodku krzyża widniał piąty obraz, który nie miał prawa istnieć.
To nie powinno się wydarzyć - przyznał Keeton. A jednak wydarzyło się, a skutki tego odkrycia mogą całkowicie zmienić nasze spojrzenie na jedną z największych tajemnic kosmosu: ciemną materię.
Wyniki badania opublikowano w magazynie The Astrophysical Journal.
Światło wyginane jak trampolina
Czasoprzestrzeń nie jest płaska, a ogromne obiekty o wielkiej masie, takie jak galaktyki, wyginają ją tak jak dziecko odbijające się na trampolinie wygina elastyczną matę. Kiedy światło z bardzo odległego obiektu (na przykład galaktyki) przechodzi w pobliżu masywnej galaktyki bliższej Ziemi, jego tor się zakrzywia.
To zjawisko nazywane jest soczewkowaniem grawitacyjnym. Czasami zakrzywienie jest tak idealne, że z naszej perspektywy widzimy nie jeden, lecz kilka obrazów tej samej, odległej galaktyki. Gdy światło odległego obiektu jest idealnie za soczewkującą galaktyką, tworzy się symetryczny układ czterech obrazów, zwany Krzyżem Einsteina.
To rzadkie i fascynujące zjawisko jest jak wskazówka pokazująca, gdzie znajduje ogromna masa.
Niewidzialny winowajca: ciemna materia
Ale w przypadku obserwacji galaktyki HerS-3, zarejestrowanej przez sieć radioteleskopów NOEMA we Francji oraz ALMA w Chile, wydarzyło się coś bez precedensu. Zamiast standardowych czterech obrazów, naukowcy zobaczyli piąty, idealnie umieszczony w centrum. Astronomowie myśleli, że to błąd w danych, szum albo artefakt instrumentów. Próbowali "usunąć" piąty punkt, ale ten wciąż wracał.
Sprawdzaliśmy na wszystkie sposoby, a on się nie poddawał – opowiada Pierre Cox, astronom z francuskiego CNRS, który jako pierwszy zwrócił uwagę na anomalię.
Dopiero komputerowe modele przygotowane przez zespół Keetona pokazały, że zagadka ma jedno wyjaśnienie. Układ czterech galaktyk w pierwszym planie nie był w stanie samodzielnie wytworzyć takiego efektu.
Brakujący element układanki? Ogromne, niewidzialne halo ciemnej materii.
Ciemna materia to substancja, która stanowi nawet 85 proc. całej materii we Wszechświecie, a mimo to nigdy nie została bezpośrednio zaobserwowana. Nie świeci, nie odbija światła, nie da się jej sfotografować. Jej istnienie znamy wyłącznie po efektach grawitacyjnych, właśnie takich, jak zakrzywianie światła.
Próbowaliśmy wszystkich możliwych konfiguracji. Nic nie działało. Jedynym sposobem, żeby matematyka się zgadzała, było dodanie ciemnej materii – mówi Keeton.
Więcej na Spider's Web:
Kosmiczne laboratorium pod lupą
To odkrycie nie jest jedynie ciekawostką wizualną. Zjawisko działa jak naturalny teleskop: dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu galaktyka HerS-3 została powiększona, a naukowcy mogą badać jej strukturę ze szczegółowością, jakiej w innym przypadku by nie osiągnęli.
Jednocześnie piąty obraz daje unikatową możliwość badania rozkładu ciemnej materii w galaktykach, które tworzą soczewkę. To jak otwarcie drzwi do niewidzialnego świata, który do tej pory istniał tylko w teorii i równaniach.
To działa jak naturalne laboratorium. Dzięki niemu możemy jednocześnie badać odległą, zakurzoną galaktykę i niewidzialną materię, która zakrzywia jej światło – podkreśla Cox.
Kolejny element tajemniczej układanki
Odkrycie opublikowane w The Astrophysical Journal to jeden z rzadkich momentów, kiedy nauka łapie ciemną materię „na gorącym uczynku”. Zwykle jej obecność można wywnioskować na podstawie ruchu gwiazd w galaktykach czy samych galaktyk. Tutaj jednak astronomowie widzą efekt jej działania wprost, w postaci dodatkowego obrazu, którego nie da się wyjaśnić inaczej.
To potwierdza, że nasze rozumienie kosmosu wciąż jest fragmentaryczne. Choć obserwujemy miliardy galaktyk, większość materii Wszechświata pozostaje dla nas kompletnie niewidzialna. A jednak dzięki takim przypadkowym „anomaliom” zaczynamy odsłaniać kolejne warstwy tej kosmicznej układanki.
