Το ALMA αποκαλύπτει μια λεπτή υπογραφή της σκοτεινής ύλης

Οι πρωτοποριακές παρατηρήσεις αποκαλύπτουν διακυμάνσεις της σκοτεινής ύλης κάτω από το επίπεδο των γαλαξιών, επιβεβαιώνοντας τις θεωρίες της ψυχρής σκοτεινής ύλης και παρέχοντας νέες γνώσεις για το σχηματισμό του σύμπαντος.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Kaiki Taro Inoue στο Πανεπιστήμιο Kindai (Οσάκα, Ιαπωνία) εντόπισε διακυμάνσεις στην κατανομή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν σε κλίμακες μικρότερες από τους τεράστιους γαλαξίες χρησιμοποιώντας το πιο ισχυρό ραδιοσυμβολόμετρο στον κόσμο, τη συστοιχία Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. Πίνακας).Άλμα), που βρίσκεται στη Δημοκρατία της Χιλής.

Αυτή είναι η πρώτη φορά που ανιχνεύονται χωρικές διακυμάνσεις της σκοτεινής ύλης στο μακρινό σύμπαν σε κλίμακα 30 χιλιάδων ετών φωτός. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η ψυχρή σκοτεινή ύλη^[1] Αυτό είναι προτιμότερο ακόμη και σε κλίμακες μικρότερες από τους τεράστιους γαλαξίες και είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση της πραγματικής φύσης της σκοτεινής ύλης. Το άρθρο θα δημοσιευθεί στο ο Astrophysical Journal.

Εικόνα 1. Διακυμάνσεις που ανιχνεύονται στη σκοτεινή ύλη. Το πιο φωτεινό πορτοκαλί χρώμα υποδεικνύει περιοχές με υψηλή πυκνότητα σκοτεινής ύλης και το πιο σκούρο πορτοκαλί χρώμα υποδεικνύει περιοχές με χαμηλή πυκνότητα σκοτεινής ύλης. Το λευκό και το μπλε χρώμα αντιπροσωπεύουν αντικείμενα με βαρυτικό φακό που παρατηρούνται από την ALMA. Πηγή: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

τα κύρια σημεία

• Παρατήρηση από ένα από τα μεγαλύτερα συμβολόμετρα ραδιοκυμάτων στον κόσμο ALMA, ένα διεθνές έργο.
• Η πρώτη ανίχνευση διακυμάνσεων της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν σε κλίμακες μικρότερες από 30 χιλιάδες έτη φωτός.
• Ένα σημαντικό βήμα προς την αποσαφήνιση της πραγματικής φύσης της σκοτεινής ύλης.

Το ALMA ανιχνεύει μικρής κλίμακας διακυμάνσεις στην κατανομή της σκοτεινής ύλης

Η σκοτεινή ύλη, η αόρατη ύλη που αποτελεί μεγάλο μέρος της μάζας του σύμπαντος, πιστεύεται ότι έπαιξε σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό δομών όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες.^[2] Δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στο διάστημα, αλλά κατανέμεται σε συστάδες, η βαρύτητα της μπορεί να αλλάξει ελαφρώς τη διαδρομή του φωτός (συμπεριλαμβανομένων των ραδιοκυμάτων) που προέρχεται από μακρινές πηγές φωτός. Οι παρατηρήσεις αυτού του φαινομένου (βαρυτικός φακός) έχουν δείξει ότι η σκοτεινή ύλη σχετίζεται με σχετικά τεράστιους γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, αλλά το πώς κατανέμεται σε μικρότερες κλίμακες δεν είναι ακόμη γνωστό.

Η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να χρησιμοποιήσει το ALMA για να παρατηρήσει ένα αντικείμενο 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Το αντικείμενο είναι ένα κβάζαρ με φακό,^[3] MG J0414+0534^[4] (εφεξής «αυτός ο κβάζαρ»).

Αυτό το κβάζαρ φαίνεται να έχει τετράπλευρη εικόνα λόγω του φαινομένου βαρυτικού φακού του γαλαξία στο προσκήνιο. Ωστόσο, οι θέσεις και τα σχήματα αυτών των φαινομενικών εικόνων διαφέρουν από εκείνα που υπολογίζονται αποκλειστικά από το φαινόμενο βαρυτικού φακού του γαλαξία στο προσκήνιο, υποδηλώνοντας ότι λειτουργεί το φαινόμενο βαρυτικού φακού της κατανομής της σκοτεινής ύλης σε κλίμακες μικρότερες από τους τεράστιους γαλαξίες.

Εικόνα 2: Εννοιολογικό διάγραμμα του συστήματος βαρυτικού φακού MG J0414+0534. Το αντικείμενο στο κέντρο της εικόνας υποδηλώνει φακοειδές γαλαξία. Το πορτοκαλί δείχνει τη σκοτεινή ύλη στον διαγαλαξιακό χώρο και το ανοιχτό κίτρινο δείχνει τη σκοτεινή ύλη σε έναν φακοειδές γαλαξία. Πίστωση: NAOJ, KT Inoue

Διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν χωρικές διακυμάνσεις στην πυκνότητα της σκοτεινής ύλης ακόμη και σε κλίμακα περίπου 30 χιλιάδων ετών φωτός, η οποία είναι πολύ μικρότερη από την κοσμική κλίμακα (αρκετές δεκάδες δισεκατομμύρια έτη φωτός). Αυτό το αποτέλεσμα είναι συνεπές με τη θεωρητική πρόβλεψη της ψυχρής σκοτεινής ύλης, η οποία προβλέπει ότι συστάδες σκοτεινής ύλης υπάρχουν όχι μόνο μέσα στους γαλαξίες (ωχροκίτρινο στο σχήμα 2), αλλά και στον διαγαλαξιακό χώρο (πορτοκαλί στο σχήμα 2).

Οι επιδράσεις του βαρυτικού φακού των συστάδων της σκοτεινής ύλης που βρέθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι τόσο μικρές που είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν από μόνες τους. Ωστόσο, χάρη στο φαινόμενο βαρυτικού φακού που προκαλεί ο γαλαξίας στο προσκήνιο και την υψηλή ανάλυση του ALMA, μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε τα εφέ για πρώτη φορά. Επομένως, αυτή η έρευνα είναι ένα σημαντικό βήμα για την επαλήθευση της θεωρίας της σκοτεινής ύλης και την αποσαφήνιση της πραγματικής φύσης της.

Αυτή η έρευνα παρουσιάζεται σε μια εργασία με τίτλο «ALMA μέτρηση φασμάτων ισχύος φακού στα 10 kpc προς το lensed quasar MG J0414+0534» από τους KT Inoue et al. Στο Astrophysical Journal.

Σημειώσεις

1. Ψυχρή σκοτεινή ύλη
   Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η πυκνότητα της ύλης μειώνεται, έτσι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης (ύλη αόρατη στο φως) δεν θα συναντούν πλέον άλλα σωματίδια και θα έχουν μια ανεξάρτητη κίνηση διαφορετική από την κίνηση της συνηθισμένης ύλης. Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που κινούνται με ταχύτητα πολύ χαμηλότερη από την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τη συνηθισμένη ύλη ονομάζονται ψυχρή σκοτεινή ύλη. Λόγω της χαμηλής τους ταχύτητας, δεν έχουν τη δυνατότητα να διαγράψουν δομές μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν.
2. Σχηματισμός δομής στο σύμπαν
   Στο πρώιμο σύμπαν, τα αστέρια και οι γαλαξίες πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν λόγω της βαρυτικής αύξησης των διακυμάνσεων της πυκνότητας της σκοτεινής ύλης και της έλξης δεξαμενών υδρογόνου και ηλίου στις συστάδες της σκοτεινής ύλης. Η κατανομή της σκοτεινής ύλης σε κλίμακες μικρότερες από τους τεράστιους γαλαξίες είναι ακόμα άγνωστη.
3. Κβάζαρ
   Ένα κβάζαρ είναι η κεντρική, συμπαγής περιοχή ενός γαλαξία που εκπέμπει εξαιρετικά έντονο φως. Η συνδυασμένη περιοχή και το περιβάλλον της περιέχουν μεγάλη ποσότητα σκόνης που εκπέμπει ραδιοκύματα.
4. MG J0414+0534
   Το MG J0414+0534 βρίσκεται στην κατεύθυνση του αστερισμού του Ταύρου όπως φαίνεται από τη Γη. Η μετατόπιση προς το κόκκινο (αύξηση του μήκους κύματος του φωτός διαιρούμενο με το αρχικό μήκος κύματος) αυτού του αντικειμένου είναι z=2,639. Η αντίστοιχη απόσταση θεωρείται ότι είναι 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός, λαμβάνοντας υπόψη την αβεβαιότητα στις κοσμολογικές παραμέτρους.

Αναφορά: «ALMA μέτρηση των φασμάτων δύναμης φακού στα 10 kpc προς το κβάζαρ με φακό MG J0414+0534» από τους Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita και Koichiro Nakanishi, 7 Σεπτεμβρίου 2023, Astrophysical Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από ένα Grant-in-Aid for Scientific Research από την Japan Society for the Promotion of Science (No. 17H02868, 19K03937), το Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, το ίδιο με το ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256, και Taiwan MoST. 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 101-7- M-001- 020.