Ciemna galaktyka karłowata dostrzeżona dzięki soczewkowaniu

Soczewka grawitacyjna SDP.81 przedstawiająca zniekształcony obraz innej, dużo dalszej galaktyki (czerwone łuki) i nałożony na to obraz pobliskiej galaktyki soczewkującej (niebieski obiekt centralny). Analizując zniekształcenia pierścienia astronomowie doszli do wniosku, że ciemna galaktyka karłowata (dane widoczne jako biała kropka w dolnej, lewej części łuku) znajduje się prawie 4 miliardy lat świetlnych od nas. Źródło: Y. Heazaveh, Stanford, ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope
Soczewka grawitacyjna SDP.81 przedstawiająca zniekształcony obraz innej, dużo dalszej galaktyki (czerwone łuki) i nałożony na to obraz pobliskiej galaktyki soczewkującej (niebieski obiekt centralny). Analizując zniekształcenia pierścienia astronomowie doszli do wniosku, że ciemna galaktyka karłowata (w danych widoczna jako biała kropka w dolnej, lewej części łuku) znajduje się prawie 4 miliardy lat świetlnych od nas. Źródło: Y. Heazaveh, Stanford, ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope

Delikatne zniekształcenia ukryte na niesamowitym zdjęciu wykonanym za pomocą obserwatorium ALMA przedstawiającym soczewkę grawitacyjną SDP.81 wskazują, że ciemna galaktyka karłowata skrywa się w halo dużo większej galaktyki znajdującej się prawie 4 miliardy lat świetlnych od Ziemi. Odkrycie pozwala mieć nadzieję, że ALMA będzie dostrzegała teraz dużo więcej takich obiektów i pomoże astronomom w poszukiwaniu odpowiedzi na wiele pytań dotyczących natury ciemnej materii.

W 2014 roku w ramach kampanii ALMA Long Baseline Campaign astronomowie badali różne obiekty astronomiczne w celu przetestowania nowych możliwości obserwatorium. Jedno z wykonanych w ramach eksperymentu zdjęć przedstawiało pierścień Einsteina powstały wokół masywnej galaktyki, która zakrzywiała światło wyemitowane przez inną galaktykę znajdującą się prawie 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi.

To zjawisko, zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, zostało przewidziane w ogólnej teorii względności Einsteina i stanowi niesamowicie użyteczne narzędzie do badania galaktyk, które w przeciwnym razie byłyby zbyt odległe i których nie moglibyśmy obserwować. Co więcej, samo zjawisko pozwala nam poznać właściwości galaktyki soczewkującej. Badając sposób w jaki taka galaktyka zakrzywia i skupia promienie odległych obiektów, możemy pokusić się o szacowanie masy takiej galaktyki.

W nowym artykule, zaakceptowanym do publikacji w periodyku Astrophysical Journal astronom Yashar Hezaveh z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii wraz z zespołem tłumaczy w jaki sposób szczegółowa analiza tego szeroko komentowanego zdjęcia pomogła im odkryć ślady ukrytej ciemnej galaktyki karłowatej w halo  bliższej względem nas masywnej galaktyki.

Obecne teorie wskazują, że ciemna materia, która odpowiada za około 80% masy Wszechświata, zbudowana jest z jeszcze niezidentyfikowanych cząstek, które nie oddziałują z promieniowaniem widocznym ani żadnym innym promieniowaniem elektromagnetyznym. Ciemna materia ma jednak masę, więc może być zauważona poprzez to jak oddziałuje grawitacyjnie na normalną materię.

Do wykonania swoich badań naukowcy zaprzęgli tysiące komputerów, które przez wiele tygodnie wspólnie analizowały dane. Wśród nich był także najsilniejszy superkomputer Blue Waters należący do National Science Foundation. Celem analiz było poszukiwanie subtelnych anomalii, które byłyby stałe i mierzalne w każdym „pasmie” danych radiowych. Dzięki tym szczegółowym obliczeniom naukowcy byli w stanie poznać halo galaktyki soczewkującej – rozmyty i głównie pozbawiony gwiazd obszar wokół galaktyki – i odnaleźć wyraźne zagęszczenie o masie mniejszej niż tysięczna część masy Drogi Mlecznej.

Z uwagi na związek z większą galaktyką, szacowaną masę oraz brak optycznego odpowiednika, astronomowie uważają, że owa grawitacyjna anomalia może wskazywać na wyjątkowo ciemną, zdominowaną przez ciemną materię galaktykę satelitarną galaktyki soczewkującej. Zgodnie z teoretycznymi przewidywaniami, większość galaktyk może charakteryzować się wieloma podobnymi ciemnymi galaktykami. Jednak jak dotąd wykrywanie ich okazuje się wyjątkowo trudne. Nawet wokół naszej własnej Drogi Mlecznej astronomowie zidentyfikowali tylko około czterdziestu z tysięcy przewidywanych obiektów tego typu.

„Rozdźwięk między przewidywaną liczbą obiektów tego typu, a faktycznie odkrytymi obserwacyjnie, jest jednym z głównych problemów kosmologii już od prawie dwudziestu lat. Niektórzy naukowcy nazywają to prawdziwym ‚kryzysem’,” mówi Neal Dalal z University of Illinois, członek zespołu badawczego. „Jeżeli tego typu obiekty karłowate zdominowane są przez ciemna materię, może to stanowić istotną informację o naturze ciemnej materii.”

Modele komputerowe ewolucji Wszechświata wskazują, że poprzez pomiar „grudkowatości” ciemnej materii, możliwe jest zmierzenie jej temperatury. Po zliczeniu liczby małych zagęszczeń ciemnej materii wokół odległych galaktyk, astronomowie będą w stanie oszacować temperaturę ciemnej materii, co może stanowić istotną wskazówkę co do natury Wszechświata.

„Jeżeli tych obiektów tam po prostu nie ma,” zauważa współautor Daniel Marrone z University of Arizona, „wtedy nasze aktualne modele ciemnej materii są nieprawidłowe i będziemy musieli zmodyfikować nasze założenia dotyczące cząstek ciemnej materii.”

Nowe badania wskazują jednak, że większość galaktyk karłowatych mogła być po prostu niezauważona, ponieważ składa się głównie z niewidocznej ciemnej materii i praktycznie nie emituje żadnego promieniowania. „Nasze obecne pomiary zgadzają się z przewidywaniami zimnej ciemnej materii,”mówi członek zespołu Gilbert Holder z McGill University w Montrealu w Kanadzie. „Jednak aby zwiększyć poziom pewności, będziemy musieli przyjrzeć się większej liczbie takich soczewek.”

Więcej informacji:

Źródło: NRAO