Astronomen vangen het eerste 'beeld' van de donkere materie dat het universum bij elkaar houdt

Al tientallen jaren volgen wetenschappers hints van een draadachtige structuur die sterrenstelsels in het universum met elkaar verbindt. Theorieën, computermodellen en indirecte observaties hebben aangegeven dat er een kosmisch web van donkere materie is dat sterrenstelsels verbindt en de grootschalige structuur van de kosmos vormt. Maar terwijl de filamenten waaruit dit web bestaat enorm groot zijn, is donkere materie ongelooflijk moeilijk te observeren.

Nu hebben onderzoekers geproduceerd waarvan ze zeggen dat het het eerste samengestelde beeld is van een filament uit een donkere materie dat sterrenstelsels met elkaar verbindt.

"Dit beeld beweegt ons verder dan voorspellingen naar iets dat we kunnen zien en meten", zegt Mike Hudson, hoogleraar astronomie aan de University of Waterloo in Canada, co-auteur van een nieuwe studie gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.

Donkere materie, een ongrijpbare substantie waarvan naar schatting ongeveer 27 procent van het universum bestaat, geeft geen licht af, reflecteert of absorbeert licht. Dit heeft het vrijwel onmogelijk gemaakt om te detecteren, behalve de effecten ervan wanneer het een zwaartekrachtsleepoefening uitoefent of wanneer het het licht van verre sterrenstelsels vervormt in wat gravitatielensing wordt genoemd.

Voor hun werk gebruikten Hudson en co-auteur Seth Epps, die op het moment van het onderzoek een masterstudent was aan de University of Waterloo, een techniek met de naam weak gravitational lensing - een statistische meting van de kleine bochten die optreden in het pad van licht dat dichtbij de massa passeert. Het effect produceert illustraties van sterrenstelsels die enigszins kromgetrokken lijken vanwege de aanwezigheid van hemelmassa, zoals donkere materie.

In hun paper legden ze uit dat ze voor het bestuderen van het zwakke lenssignaal van de filamenten van de donkere materie twee reeksen gegevens nodig hadden: een catalogus van melkwegclusterparen die werden lensed, en een catalogus van achtergrondbronstelsels met nauwkeurige afstandsmetingen.

Ze combineerden lensgegevens van een meerjaarlijkse luchtverkenning bij de Telescoop Canada-Frankrijk-Hawaii met informatie uit de Sloan Digital Sky Survey die lichtgevende rode sterrenstelsels (LRG's) in kaart bracht, die massieve, verre en erg oude sterrenstelsels zijn.

"LRG's zijn heel heldere sterrenstelsels", vertelde Hudson aan Seeker via e-mail. "Ze zijn meestal massiever dan de gemiddelde melkweg en leven in meer massale halo's van donkere materie." Het is redelijk om te verwachten dat het filament of de brug ertussen misschien ook groter is dan het gemiddelde. "

GERELATEERD: Het Andromeda-sterrenstelsel kan zoemend zijn met donkere materie

Hudson en Epps combineerden of "stapelden" meer dan 23.000 paren van melkwegstelsels, allemaal op ongeveer 4,5 miljard lichtjaar afstand. Hierdoor konden ze een samengestelde afbeelding of kaart maken die de aanwezigheid van donkere materie tussen sterrenstelsels laat zien. Hudson vertelde Seeker dat de gloeidraad in hun "afbeelding" het gemiddelde is van alle 23.000 paar.

"De belangrijkste reden dat we deze sterrenstelsels hebben gebruikt, is dat ze precieze afstanden hadden (gemeten door een ander team)", legt Hudson uit. "Met deze afstandsmetingen konden we onderscheid maken tussen paren melkwegstelsels die werkelijke paren in 3D waren (wat betekent dat beide zich op dezelfde afstand van ons bevinden) in tegenstelling tot twee sterrenstelsels die dicht in de buurt van de hemel kwamen, maar feitelijk op zeer verschillende afstanden waren."

3D-paren zouden fysiek dicht bij elkaar zijn en zullen dus een brug hebben terwijl de tweede groep niet fysiek dicht bij elkaar zijn en dus geen brug tussen hen zouden hebben. Hudson en Epps zeiden dat hun resultaten laten zien dat de filamentbrug tussen de donkere materie het sterkst is tussen systemen die minder dan 40 miljoen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn.

"Door deze techniek te gebruiken, kunnen we niet alleen zien dat deze filamenten van de donkere materie in het universum bestaan, we kunnen ook zien in hoeverre deze filamenten sterrenstelsels met elkaar verbinden," zei Epps in een verklaring.

GERELATEERD: Gecamoufleerde Dark Matter Galaxy Discovered

De oerknaltheorie voorspelt dat variaties in de dichtheid van materie in de allereerste momenten van het universum ertoe leidde dat het grootste deel van de materie in de kosmos condenseerde tot een web van verwarde filamenten. Om dit uit te leggen, introduceerde astronoom Fritz Zwicky voor het eerst het concept van donkere materie in 1933, toen zijn metingen van melkwegstelsels die zich binnen een melkwegcluster bewogen toonden dat ze minstens tien keer meer onzichtbare materie moeten hebben dan wat zichtbaar is.

Maar het was pas in de jaren 1970 dat donkere materie serieus werd genomen. Vera Rubin en Kent Ford Jr. brachten de bewegingen van sterren in sterrenstelsels in de buurt van onze eigen Melkweg in kaart en ze concludeerden ook dat elk melkwegstelsel enorme hoeveelheden ongeziene materie moest omvatten, veel meer dan alle zichtbare materie. Later bevestigden computersimulaties dit en suggereerden ze het bestaan ​​van donkere materie, gestructureerd als een web, met lange filamenten die met elkaar verbonden zijn op de locaties van massieve clusters van sterrenstelsels.

In hun paper geven Hudson en Epps tientallen eerdere studies weer die hebben geprobeerd het donkere materieweb te meten en te observeren, en ze zeggen dat ze hopen dat hun stapelingstechnieken om de filamenten tussen groepen en clusters van sterrenstelsels te meten als een fundament voor toekomstig filament kunnen dienen studies. Ze hopen dat aankomende enquêtes en telescopen ons begrip van donkere materie zullen blijven bevorderen.