O echipa internationala de cercetatori din Japonia, Taiwan si Regatul Unit a furnizat prima dovada clara si directa pentru o forma extrem de aplatizata a distributiei materiei negre in grupuri masive de galaxii, o descoperire care confirma o predictie majora a modelului dominant de materie neagra. Cercetatorii au profitat de efectul lentilei gravitationale pentru a face masuratori detaliate legate de distributia materiei negre in aproximativ 20 de grupuri masive de galaxii. O examinare amanuntita a formei distributiei materiei negre in cosmos ar putea deschide o noua modalitate de a explora natura acestei materii enigmatice.
Natura materiei negre este inca necunoscuta si este in prezent o problema importanta in fizica si astronomia moderna. Materia neagra este “intunecata” in cateva moduri. Aceasta nu poate fi detectata in lumina vizibila si a scapat detectarii in toate lungimile de unda electromagnetice. Deoarece este invizibila, existenta sa trebuie sa fie dedusa din efectul gravitational asupra altor obiecte ceresti, precum si din modelele teoretice. Dovezile indirecte au stabilit abundenta relativa a materiei negre in univers (probabil de cinci ori mai multa decat materia normala), in plus fata de semnificatia sa pentru intelegerea formarii galaxiilor. De exemplu, o cantitate considerabila de materie neagra sustine probabil structura unei galaxii, deoarece forta gravitationala a materiei vizibile nu poate lega stelele membre intre ele.
Provocarea stiintifica este modul in care natura materiei negre poate fi studiata. Astronomii cauta modalitati de a-si utiliza observatiile pentru a rezolva acest puzzle. O abordare a unei solutii este efectuarea unor masuratori detaliate ale distributiei spatiale a materiei negre si compararea datelor cu previziunile elaborate de modelele teoretice. Ambele aspecte ale acestei abordari au propriile lor dificultati. Cum pot oamenii de stiinta sa masoare distributia materiei negre? Care sunt ipotezele plauzibile care pot fi incluse in modelele de materie neagra?
Efectul lentilei gravitationale
O echipa de astronomi condusa de Masamune Oguri, de la Observatorul Astronomic National din Japonia, si Masahiro Takada, de la Universitatea din Tokyo, a decis sa foloseasca lentila gravitationala pentru a masura si analiza distributia materiei negre. Lentila gravitationala ofera o ocazie unica de a explora distributia materiei negre prin masurarea distantelor la care calatoreste lumina, de la obiectele distante pana la obiectele din prim-plan. Teoria generala a relativitatii prezice ca lumina de la un obiect indepartat se va indoi in jurul unui obiect masiv din prim-plan, cum ar fi un grup de galaxii sau o concentratie de materie neagra. Prin masurarea modelului de distorsionare al multor galaxii distante, este posibil ca masele obiectelor din prim-plan sa poata fi deduse. Deoarece aceasta tehnica nu se bazeaza pe presupuneri legate de vizibilitatea luminii indoite de materie, lentila gravitationala poate fi o sonda puternica a materiei negre.
Echipa si-a pus la punct cercetarile prin observarea a 20 de grupuri masive de galaxii cu ajutorul Camerei Prime Focus a Telescopului Subaru (Suprime-Cam). Grupurile de galaxii sunt locatii ideale pentru studierea distributiei materiei negre, deoarece ele contin mii de galaxii si se stie ca sunt insotite de o cantitate mare de materie neagra. Puterea de colectare a luminii si calitatea excelenta a imaginii oferite de Telescopul Subaru, le-a dat cercetatorilor un avantaj suplimentar. Prin utilizarea Camerei Suprime Focus acestia au putut surprinde obiectele intr-un camp de vedere deosebit de larg.
Observatiile cu Suprime-Cam au generat imagini cu aproximativ 20 de grupuri masive de galaxii (situate de obicei la 3 miliarde de ani lumina distanta de Pamant), pe care echipa le-a folosit pentru a masura si analiza distributia materiei negre. Din analiza lor detaliata a efectelor lentilei gravitationale in imagini, cercetatorii au obtinut dovezi clare ale faptului ca distributia materiei negre in grupurile de galaxii are, in medie, o forma extrem de aplatizata, mai degraba decat un contur sferic simplu. Gradul masurat al aplatizarii este destul de mare, corespunzand cu 2:1 in ceea ce priveste raportul dintre axele majore si axele minore ale elipsei. Aceasta descoperire reprezinta prima detectare directa si clara a aplatizarii in distributia materiei negre cu utilizarea lentilei gravitationale.
Urmatorii pasi in descifrarea materiei negre
In plus fata de promisiunea de a folosi lentila gravitationala pentru a explora natura materiei negre, aceasta cercetare contribuie la modelarea teoretica a materiei negre. Comparatiile detaliate ale constatarilor echipei cu previziunile modelelor teoretice ale distributiei materiei negre arata ca gradul de aplatizare observat este in acord perfect cu asteptarile teoretice.
Previziunile teoretice privind distributia materiei negre in grupurile de galaxii sunt dependente de tipul de model de materie intunecata care este presupus. Aceasta cercetare sprijina cu fermitate modelul predominant, care incepe cu presupunerea ca materia neagra este formata din particule masive slab interactive care sunt relicve ale Big Bang-ului. Aceste particule sunt presupuse a fi “reci”, ceea ce inseamna ca miscarile termice ale particulelor sunt neglijabil de mici. Conform acestui scenariu, grupurile de galaxii sunt obiecte dinamice tinere care se formeaza prin fuziunea mai multor obiecte mici. Aceasta teorie prezice ca distributia materiei negre in grupurile de galaxii ar fi non-sferica, reflectand o structura pe scara larga a filamentelor de materie neagra – panglici de material rece. Deoarece concluziile echipei confirma o distributie non-sferica, ele demonstreaza fezabilitatea explorarii naturii materiei negre prin aplatizarea din distributia materiei negre.
Aceasta cercetare face parte din Studiul Infrastructurii Grupului Local (LoCuSS), un proiect international de realizare a unui studiu sistematic asupra grupurilor de galaxii prin combinarea datelor de la Telescopul Subaru cu o gama larga de seturi de date de la telescoape radio, optice, cu raze x si infrarosii. Scopul proiectului este de a dezvalui noi aspecte ale fizicii si cosmologiei grupurilor. Rezultatele prezentate in acest articol sunt unele dintre realizarile sale initiale. Explorari mai detaliate ale materiei negre in grupurile de galaxii vor fi realizate cu ajutorul Camerei Hyper Suprime, camera foto de noua generatie de pe Telescopul Subaru. Aceste studii viitoare vor imbunatati in mod considerabil intelegerea gurpurilor de galaxii si poate chiar a proprietatilor materiei negre.
