Ciemna materia to tajemnicze forma materii odpowiedzialna za 27 procent całej materii i energii we Wszechświecie. Choć ciemna materia otacza nas z każdej strony – nie możemy jej zobaczyć ani poczuć. Jednak naukowcy mogą dowieść obecności ciemnej materii przyglądając się zachowaniu normalnej materii ją otaczającej.
Gromady galaktyk składające się z tysięcy galaktyk są bardzo ważnymi obiektami w badaniach nad ciemną materią, bowiem znajdują się w miejscach gdzie ciemna materia jest gęstsza niż gdzie indziej. Naukowcy uważają, że im masywniejsza jest gromada galaktyk, tym więcej ciemnej materii znajduje się w jej otoczeniu. Jednak nowe badania wskazują, że związek między masą gromady a ilością ciemnej materii jest dużo bardziej skomplikowany.
„Gromady galaktyk są swego rodzaju dużymi metropoliami we Wszechświecie. Gdy spoglądamy w nocy na światła miasta z lecącego samolotu – możemy oszacować rozmiary tego miasta. Tak samo jest z gromadami galaktyk, które mówią nam o ilości ciemnej materii, której nie widzimy bezpośrednio,” mówi Hironao Miyatake z NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie.
Nowe badania, których wyniki opublikowano w Physical Review Letters, prowadzone przez Miyatake wskazują, że wewnętrzna struktura gromady galaktyk związana jest bezpośrednio z ciemną materią w jej otoczeniu. To pierwszy raz kiedy cecha gromady – poza jej masą – została w jakikolwiek sposób związana z ciemną materią.
Badacze przeanalizowali około 9000 gromad galaktyk z katalogu Sloan Digital Sky Survey DR8 i podzielili je na dwie grupy w zależności od ich struktury wewnętrznej: jedna grupa to ta gdzie pojedyncze galaktyki w ramach gromady były rozprzestrzenione, a druga to ta gdzie galaktyki znajdują się bardzo blisko siebie. Korzystając z soczewkowania grawitacyjnego – patrząc jak grawitacja gromady zakrzywia światło pochodzące od innych obiektów – naukowcy potwierdzili, że obie grupy charakteryzują się podobnymi masami.
Jednak porównując obie grupy odkryto istotne różnice w rozkładzie przestrzennym gromad galaktyk. Zazwyczaj gromady galaktyk oddalone są od siebie o ok. 100 milionów lat świetlnych. Jednak gromady, w których galaktyki znajdują się bliżej siebie, są gęściej „upakowane” mają dużo mniej innych gromad w swoim otoczeniu, niż galaktyki bardziej rozwlekłe. Innymi słowy, otaczająca gromady ciemna materia wpływa na to jak blisko siebie znajdują się galaktyki w gromadzie.
„Różnice te wynikają z różnego rozkładu ciemnej materii w miejscach, w którym tworzyły się owe gromady galaktyk. Nasze wyniki wskazują, że związek między gromadą galaktyk a otaczającą ją ciemną materią nie ogranicza się tylko do masy gromady, ale także do historii jej powstawania,” dodaje Miyatake.
Współautor badania David Spergel, profesor astronomii w Princeton University w New Jersey dodaje: „Wcześniejsze badania obserwacyjne wskazywały, że masa gromady to najważniejszy czynnik określający jej właściwości globalne. Nasze prace wskazują jednak, że 'wiek też ma znaczenie’: Młodsze gromady żyją w innym wielkoskalowym otoczeniu ciemnej materii niż ich starsze towarzyszki.”
Opublikowane wyniki są zgodne z przewidywaniami głównych teorii początków Wszechświata. Po etapie kosmicznej inflacji trwającym mniej niż jedna bilionowa część sekundy po Wielkim Wybuchu, pojawiły się niewielkie zmiany energii przestrzeni zwane fluktuacjami kwantowymi. Te zmiany odpowiadają za niejednorodną dystrybucję/rozkład materii we Wszechświecie. Naukowcy uważają, że gromady galaktyk obserwowane dzisiaj są wynikiem tych fluktuacji gęstości materii we wczesnym Wszechświecie.
„Związek między wewnętrzną strukturą gromady galaktyk a rozkładem otaczającej je ciemnej materii jest konsekwencją natury początkowych fluktuacji gęstości powstałych w pierwszej sekundzie istnienia Wszechświata,” mówi Miyatake.
Naukowcy planują dalsze badania tego związku.
„Gromady galaktyk są fascynującymi oknami na tajemnice Wszechświata. Badając je możemy dowiedzieć się więcej o ewolucji wielkoskalowej struktury Wszechświata i o jego początkach,” powiedział Miyatake.
Źródło: NASA