Chociaż pierwotnie zaproponowano ideę ciemnej materii, aby wyjaśnić strukturę galaktyk, jednym z jej wielkich sukcesów było wyjaśnienie natury samego Wszechświata. Cechy kosmicznego tła mikrofalowego można wyjaśnić obecnością ciemnej materii. Modele wczesnego Wszechświata tworzą galaktyki i gromady galaktyk, budując na strukturach utworzonych przez ciemną materię. Fakt, że te modele mają tak dobry obraz, był mocnym argumentem na ich korzyść.
Jednak nowe badanie sugeruje, że w tych samych modelach szczegóły są błędne – o cały rząd wielkości. Autorzy badania sugerują, że albo coś jest nie tak z modelami, albo nasze rozumienie ciemnej materii może wymagać korekty.
Pod soczewką
W nowych badaniach, przeprowadzonych przez międzynarodowy zespół naukowców, wykorzystano zjawisko zwane soczewkowaniem grawitacyjnym. Grawitacja wypacza samą przestrzeń i może to zrobić w sposób, który zakrzywia światło, analogicznie do soczewki. Jeśli między nami a odległym obiektem znajduje się masywny obiekt – powiedzmy galaktyka – może stworzyć soczewkę grawitacyjną, która powiększa lub zniekształca odległy obiekt. W zależności od dokładnych szczegółów rozmieszczenia obiektów, rezultatem może być wszystko, od prostego powiększenia po okrągłe pierścienie lub wielokrotne pojawienie się obiektu.
Ponieważ efekty ciemnej materii są wykrywalne za pomocą grawitacji, możemy „zobaczyć” obecność ciemnej materii poprzez jej efekty soczewkowania grawitacyjnego. W kilku przypadkach wykryliśmy nawet soczewkowanie, w którym występuje niewielka ilość materii. To jeden z wielu dowodów przemawiających za ciemną materią.
Naukowcy wykorzystali soczewkowanie grawitacyjne, aby przygotować test, który, przynajmniej koncepcyjnie, był bardzo prosty. Zbudowaliśmy modele wczesnego Wszechświata, które wskazują, jak ciemna materia pomogła w tworzeniu struktury pierwszych galaktyk i przyciągnęła je do gromad galaktyk. Modele te, stosowane do przodu, dostarczają opisu tego, jak ten rozkład ciemnej materii powinien wyglądać w różnych momentach historii Wszechświata do chwili obecnej. Dlatego naukowcy zdecydowali się zastosować soczewkowanie grawitacyjne, aby określić, czy rozkład ciemnej materii widoczny w modelach pasuje tam, gdzie widzimy go za pomocą soczewkowania grawitacyjnego.
Według tych modeli Wszechświat został zbudowany hierarchicznie. Poprzez oddziaływanie grawitacyjne z samą sobą ciemna materia utworzyła włókna, które przecięły się w złożonej, trójwymiarowej siatce. Dodatkowe przyciąganie grawitacyjne w punktach, w których przecinały się włókna, przyciągałoby regularną materię, prowadząc do pierwszych galaktyk. Z biegiem czasu ciągłe przyciąganie grawitacji przyciągało galaktyki do siebie, tworząc duże gromady. Badając wyniki tych modeli, możemy przyjrzeć się oczekiwanemu rozmieszczeniu ciemnej materii wokół klastrów. Przybliżając, możemy zobaczyć, jak ciemna materia powinna być rozłożona w obszarze poszczególnych galaktyk.
Ten rozkład ciemnej materii można postrzegać jako prognozę modeli.
Tymczasem w prawdziwym Wszechświecie …
Aby przetestować te przewidywania, naukowcy wykorzystali obrazy z teleskopu kosmicznego Hubble’a, aby zmapować wszystkie obiekty wewnątrz i wokół dużego zbioru gromad galaktyk. Obrazowanie uzupełniające przy użyciu Bardzo Dużego Teleskopu pomogło określić odległość tych obiektów na podstawie tego, jak bardzo ich światło zostało przesunięte do czerwonego końca widma w wyniku ekspansji Wszechświata – im większe przesunięcie ku czerwieni, tym bardziej odległy jest obiekt. Pozwoliło to naukowcom określić, które obiekty muszą znajdować się za gromadą galaktyk, a tym samym są potencjalnymi kandydatami do soczewkowania grawitacyjnego.
Następnie pakiet oprogramowania wykorzystał dane do stworzenia rozkładu masy dla każdej gromady galaktyk. Obejmuje to ogólne efekty soczewkowania całej gromady, a także subsoczewkowanie napędzane przez poszczególne galaktyki w gromadzie. Naukowcy stwierdzili silną zgodność między wyglądem soczewek a lokalizacją poszczególnych galaktyk, co pozwoliło im zweryfikować obliczenia rozkładu masy.
Następnie naukowcy wykorzystali symulator Wszechświata do zbudowania 25 symulowanych klastrów i przeprowadzili podobną analizę z klastrami. Zrobili to w celu zidentyfikowania miejsc możliwego soczewkowania i miejsc, które mogą powodować największe zniekształcenia.
Te dwa nie pasowały. Było znacznie więcej obszarów, które generowały duże zniekształcenia w galaktyce Wszechświata rzeczywistego niż w modelu. Byłoby tak w przypadku, gdyby rozkład ciemnej materii był nieco bardziej nierówny, niż przewidywałyby modele – halo ciemnej materii wokół galaktyk było bardziej zwarte, niż przewidywałyby modele.
To nie jest pierwsza tego rodzaju rozbieżność, jaką widzieliśmy. Modele ciemnej materii przewidują również, że wokół Drogi Mlecznej powinno być więcej karłowatych galaktyk satelitarnych i że powinny one być bardziej rozproszone niż są. Ale gdybyśmy mieli dostosować nasze modele, aby te galaktyki były bardziej rozproszone, byłoby mniej prawdopodobne, że zobaczylibyśmy bardziej zwarte struktury w gromadach galaktyk. Zamiast więc znaleźć dwa problemy, które można by rozwiązać poprzez dokonanie jednej korekty, wydaje się, że te dwie kwestie wymagają dostosowania w przeciwnych kierunkach.
Dwie możliwości
Naukowcy sugerują, że istnieją dwa prawdopodobne wyjaśnienia tej rozbieżności: albo nie doceniamy wszystkich właściwości ciemnej materii, albo czegoś brakuje w naszych symulacjach ewolucji Wszechświata. Ponieważ obaj mają w dużej mierze poprawny obraz Wszechświata, problem będzie subtelny i w konsekwencji trudny do zidentyfikowania, jeśli wyniki te uzyskają niezależne potwierdzenie. Jedną z możliwości jest to, że problemy wydają się być w obszarze galaktyk, gdzie byłoby wiele interakcji materia-ciemna materia. Jeśli dzieje się tam coś bardziej skomplikowanego, może łatwo zrzucić modele.
Na razie jednak prawdopodobnie istnieją już zespoły z dodatkowymi danymi, które mogłyby przeprowadzić podobną analizę, więc będziemy musieli poczekać, aż te zostaną wykonane. Kosmolodzy teoretyczni, będąc niecierpliwymi gatunkami, bez wątpienia będą testować warianty ciemnej materii na długo przed przeprowadzeniem jakichkolwiek dodatkowych ponownych analiz.
Nauka, 2020. DOI: 10.1126 / science.aax5164 (O DOI).
