Denna vecka, forskare med Dark Energy Survey (DES) samarbete släppte den första i en serie av detaljerade kartor som kartlägger fördelningen av mörk materia utifrån dess gravitationseffekter. De nya kartorna bekräftar nuvarande teorier som tyder på att galaxer kommer att bildas där stora koncentrationer av mörk materia finns. De nya uppgifterna visar stora filament av mörk materia där synliga galaxer och galaxhopar ligger och kosmiska tomrum där väldigt få galaxer finns.
'Vår analys hittills är i linje med vad den nuvarande bilden av universum förutspår', säger Chihway Chang från det schweiziska federala tekniska institutet (ETH) i Zürich, en medledare för analysen. 'När vi zoomar in på kartorna har vi mätt hur mörk materia omsluter galaxer av olika typer och hur de tillsammans utvecklas över kosmisk tid.'
Forskningen och kartorna, som spänner över ett stort område av himlen, är resultatet av en massiv insats från ett internationellt team från USA, Storbritannien, Spanien, Tyskland, Schweiz och Brasilien. De tillkännagav sina nya resultat vid American Physical Society (APS) möte i Baltimore, Maryland.
Enligt kosmologer, mörk materia partiklar strömmar och klumpar ihop sig över tiden i särskilda regioner av kosmos, ofta på samma platser där galaxer bildas och hopar sig. Med tiden utvecklas ett 'kosmiskt nät' över hela universum. Även om mörk materia är osynlig, expanderar den med universum och känner tyngdkraften. Astrofysiker kan sedan rekonstruera kartor över det genom att kartlägga miljontals galaxer, ungefär som man skulle kunna sluta sig till att en flock fåglars skiftande orientering är från dess skugga som rör sig längs marken.
DES-forskare skapade kartorna med en av världens mest kraftfulla digitalkameror, 570-megapixeln Dark Energy Kamera (DECam), som är särskilt känslig för ljuset från avlägsna galaxer. Den är monterad på det 4 meter långa Victor M. Blanco-teleskopet, beläget vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i norra Chile. Var och en av dess bilder registrerar data från ett område som är 20 gånger månens storlek sett från jorden.
Dessutom samlar DECam in data nästan tio gånger snabbare än tidigare maskiner. Enligt David Bacon, vid University of Portsmouths Institute of Cosmology and Gravitation, 'Detta tillåter oss att stirra djupare ut i rymden och se effekterna av mörk materia och mörk energi med större klarhet. Ironiskt nog, även om dessa mörka varelser utgör 96 % av vårt universum, är det svårt att se dem och kräver enorma mängder data.”
Den silverfärgade kupolen på Blanco 4-metersteleskopet håller DECam vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile. (Fotokredit: T. Abbott och NOAO/AURA/NSF)
Teleskopet och dess instrument möjliggör exakta mätningar med en teknik som kallas 'gravitationslinsning'. Astrofysiker studerar de små förvrängningarna och skjuvningen av bilder av galaxer på grund av gravitationskraften av mörk materia runt dem, liknande skeva bilder av objekt i ett förstoringsglas, förutom att de linsade galaxerna som observerats av DES-forskarna är minst 6 miljarder ljus- år bort.
Chang och Vinu Vikram (Argonne National Laboratory) ledde analysen, med vilken de spårade nätet av mörk materia i oöverträffad detalj över 139 kvadratgrader av det södra halvklotet. 'Vi mätte de knappt märkbara distorsionerna i form av cirka 2 miljoner galaxer för att konstruera dessa nya kartor,' sa Vikram. Detta uppgår till mindre än 0,4% av hela himlen, men den genomförda DES-undersökningen kommer att kartlägga mer än 30 gånger detta område under de närmaste åren.
De lämnade in sin forskningsrapport för publicering i ett kommande nummer avMånatliga meddelanden från Royal Astronomical Society, och DES-teamet släppte det offentligt som en del av en uppsättning papper om arXiv.org server på tisdag.
Precisionen och detaljerna i dessa stora sammanhängande kartor som produceras av DES-forskare kommer att möjliggöra tester av andra kosmologiska modeller. 'Jag är verkligen spänd på vad dessa kartor kommer att berätta för oss om mörk materia i galaxhopar, särskilt med avseende på teorier om modifierad gravitation', säger Robert Nichol (University of Portsmouth). Einsteins gravitationsmodell, allmänna relativitetsteori, kan vara felaktig på stora kosmologiska skalor eller i universums tätaste regioner, och pågående forskning med Dark Energy Survey kommer att underlätta undersökningar av detta.