Astronomowie od dawna starają się sięgnąć w głąb wczesnej historii naszego Wszechświata. Jaka była wtedy natura materii? W jaki sposób małe galaktyczne zalążki urosły do rozmiarów gazowych potworów widocznych dzisiaj, i jaka była natura tajemniczej substancji, która obciąża ich halo, a jednocześnie wymyka się ziemskim detektorom? Zespół astronomów być może odkrył nowe narzędzie, które pozwoli nam badać tę tajemniczą materię w skali mniejszej niż kiedykolwiek wcześniej.
Spojrzenie wstecz na historię Wszechświata
Jednym z kluczowych zadań współczesnej astronomii jest zrozumienie wczesnego Wszechświata oraz tego, jak ewoluował, aby osiągnąć stan, w którym znajduje się obecnie. Kosmiczny Teleskop Hubble’a przeniósł nas do czasów, gdy Wszechświat miał 500 milionów lat, a misja Planck pozwoliła nam spojrzeć na Wszechświat, gdy miał zaledwie 380 tysięcy lat, wykorzystując kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMB) – światło z bardzo wczesnego Wszechświata, które zostało rozciągnięte do reżimu mikrofalowego w miarę rozszerzania się Wszechświata. To klucz do zrozumienia, jak w tym czasie zachowywała się zarówno zwykła, jak i ciemna materia.
Wskazówka, jak ciemna materia zachowuje się w małych skalach, może znajdować się w halo ciemnej materii otaczającym galaktyki we wczesnym Wszechświecie. Halo ciemnej materii były znacznie mniej masywne niż te, które otaczają galaktyki dzisiaj, więc badanie tych halo we wczesnym Wszechświecie dałoby nam nowe okno do przyjrzenia się ciemnej materii w mniejszych skalach i mogłoby pomóc zrozumieć naturę tej tajemniczej substancji, która przenika nasz kosmos.
Badanie ciemnej materii w małych skalach
Grupa naukowców pod kierownictwem Nashwana Sabtiego z King's College w Londynie wykorzystała dane z trwających dekadę obserwacji za pomocą HST do badania ciemnej materii w bardzo małych skalach. Badacze przyglądali się odległym galaktykom i ich halo za pomocą metody uzupełniającej zakres sond lokalnych i CMB. W pierwszej kolejności zespół wyznaczył funkcję jasności galaktyk w ultrafiolecie (UV FL), która ujmuje obfitość galaktyk w funkcji ich jasności w UV. Ponieważ UV FL zależy od rozkładu masy halo ciemnej materii, technika ta pozwoliła na pośrednie zbadanie, jak ciemna materia jest rozmieszczona w różnych skalach w tym wczesnym okresie historii Wszechświata, co wiele mówi o tym, jak formowała się i ewoluowała wczesna struktura naszego Wszechświata.
Wykorzystanie możliwości szerokiego zakresu pomiarów
Pomiary UV FL wykonane przez zespół Nabtiego obejmują szeroki zakres – od czasu, gdy Wszechświat miał 48 milionów lat, aż do okresu, gdy miał 156 milionów lat, i badają skale wykraczające poza to, co pozwala nam zbadać CMB. Autorzy modelowali wynikowe widmo mocy materii – miarę tego, jak materia grupuje się w różnych skalach przestrzennych – z różnymi parametrami, aby przetestować szereg modeli teoretycznych opisujących ciemną materię. Zespół stwierdził, że modelowane przez nich widma mocy są do pewnego momentu zgodne z przewidywaniami teoretycznymi modelu lambda zimnej ciemnej materii (standardowego modelu Wszechświata). Widma mocy są niekorzystne dla innych modeli, takich jak model ciepłej ciemnej materii, który nie przewiduje struktury zgodnej z tym, co zespół znalazł w małych skalach.
Te nowe wyniki pokazują, że pomiar funkcji jasności UV jest unikalną, potężną techniką badania natury ciemnej materii. Nowo wystrzelony JWST oraz Kosmiczny Teleskop Grace Roman, który ma zostać wystrzelony w połowie 2027 roku, będą obserwować galaktyki znajdujące się dalej w historii Wszechświata i badać halo ciemnej materii w mniejszych skalach, co sprawia, że jest to ekscytujący czas dla astronomów zajmujących się ciemną materią!
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- A New Way to Probe the Early Universe
- New Roads to the Small-scale Universe: Measurements of the Clustering of Matter with the High-redshift UV Galaxy Luminosity Function
Źródło: AAS
Na ilustracji: Symulowane halo ciemnej materii wokół galaktyki. Źródło: Użytkownik Wikipedii Cosmo0