ALMA odkrywa subtelną sygnaturę ciemnej materii

Pionierskie obserwacje ujawniają fluktuacje ciemnej materii poniżej poziomu galaktyk, potwierdzając teorie o zimnej ciemnej materii i dostarczając nowych informacji na temat powstawania Wszechświata.

Zespół badawczy kierowany przez profesora Kaiki Taro Inoue z Uniwersytetu Kindai (Osaka, Japonia) wykrył wahania w rozmieszczeniu ciemnej materii we Wszechświecie w skalach mniejszych niż masywne galaktyki przy użyciu najpotężniejszego na świecie interferometru radiowego, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array Tablica).Alma), z siedzibą w Republice Chile.

Po raz pierwszy w odległym wszechświecie wykryto przestrzenne fluktuacje ciemnej materii w skali 30 tysięcy lat świetlnych. Wynik ten pokazuje, że zimna ciemna materia^[1] Jest to korzystne nawet w skalach mniejszych niż masywne galaktyki i stanowi ważny krok w kierunku zrozumienia prawdziwej natury ciemnej materii. Artykuł zostanie opublikowany w the Dziennik astrofizyczny.

Rysunek 1. Wykryto fluktuacje w ciemnej materii. Jaśniejszy kolor pomarańczowy wskazuje obszary o dużej gęstości ciemnej materii, a ciemniejszy kolor pomarańczowy wskazuje obszary o niskiej gęstości ciemnej materii. Kolory biały i niebieski reprezentują obiekty soczewkowane grawitacyjnie obserwowane przez ALMA. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue i in.

główne punkty

• Obserwacje jednym z największych na świecie interferometrów radiowych ALMA, projekt międzynarodowy.
• Pierwsza detekcja fluktuacji ciemnej materii we Wszechświecie w skali mniejszej niż 30 tysięcy lat świetlnych.
• Ważny krok w kierunku wyjaśnienia prawdziwej natury ciemnej materii.

ALMA wykrywa fluktuacje na małą skalę w rozmieszczeniu ciemnej materii

Uważa się, że ciemna materia, niewidzialna materia, która stanowi większość masy Wszechświata, odegrała ważną rolę w tworzeniu struktur takich jak gwiazdy i galaktyki.^[2] Ponieważ ciemna materia nie jest równomiernie rozłożona w przestrzeni, ale skupiona, jej grawitacja może nieznacznie zmienić ścieżkę światła (w tym fal radiowych) pochodzącego z odległych źródeł światła. Obserwacje tego efektu (soczewkowania grawitacyjnego) wykazały, że ciemna materia jest powiązana ze stosunkowo masywnymi galaktykami i gromadami galaktyk, ale sposób jej rozmieszczenia w mniejszych skalach nie jest jeszcze znany.

Zespół badawczy zdecydował się wykorzystać ALMA do obserwacji obiektu oddalonego o 11 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Obiekt jest soczewkowanym kwazarem,^[3] MGJ0414+0534^[4] (zwany dalej „tym kwazarem”).

Wydaje się, że ten kwazar ma czworoboczny obraz ze względu na efekt soczewkowania grawitacyjnego galaktyki na pierwszym planie. Jednakże pozycje i kształty tych pozornych obrazów różnią się od tych obliczonych wyłącznie na podstawie efektu soczewkowania grawitacyjnego galaktyki na pierwszym planie, co sugeruje, że działa efekt soczewkowania grawitacyjnego wynikający z rozkładu ciemnej materii w skalach mniejszych niż masywne galaktyki.

Rysunek 2: Schemat koncepcyjny układu soczewek grawitacyjnych MG J0414+0534. Obiekt w środku zdjęcia wskazuje galaktykę soczewkowatą. Pomarańczowy pokazuje ciemną materię w przestrzeni międzygalaktycznej, a bladożółty wskazuje ciemną materię w galaktyce soczewkowatej. Źródło: NAOJ, KT Inoue

Stwierdzono, że występują przestrzenne wahania gęstości ciemnej materii nawet w skali około 30 tysięcy lat świetlnych, czyli znacznie mniej niż skala kosmiczna (kilkadziesiąt miliardów lat świetlnych). Wynik ten jest zgodny z teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi zimnej ciemnej materii, które przewidują, że skupiska ciemnej materii istnieją nie tylko wewnątrz galaktyk (bladożółty na Ryc. 2), ale także w przestrzeni międzygalaktycznej (pomarańczowy na Ryc. 2).

Efekty soczewkowania grawitacyjnego skupisk ciemnej materii odkryte w tym badaniu są tak małe, że niezwykle trudno je wykryć samodzielnie. Jednak dzięki efektowi soczewkowania grawitacyjnego powodowanego przez galaktykę na pierwszym planie i wysokiej rozdzielczości ALMA byliśmy w stanie po raz pierwszy wykryć te efekty. Dlatego też niniejsze badania są ważnym krokiem w kierunku weryfikacji teorii ciemnej materii i wyjaśnienia jej prawdziwej natury.

Wyniki badań zaprezentowano w artykule zatytułowanym „ALMA Measurement of Lening Power Spectra at 10 kpc wobec Lented Quasar MG J0414+0534” autorstwa KT Inoue et al. w Dziennik astrofizyczny.

Notatki

1. Zimna ciemna materia
   W miarę rozszerzania się Wszechświata gęstość materii maleje, w związku z czym cząstki ciemnej materii (materia niewidzialna dla światła) nie będą już napotykać innych cząstek i będą miały niezależny ruch, różniący się od ruchu zwykłej materii. W tym przypadku cząstki ciemnej materii, które poruszają się z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła w stosunku do zwykłej materii, nazywane są zimną ciemną materią. Ze względu na małą prędkość nie są w stanie wymazać wielkoskalowych struktur we wszechświecie.
2. Tworzenie się struktury we wszechświecie
   Uważa się, że we wczesnym Wszechświecie gwiazdy i galaktyki powstały w wyniku grawitacyjnego wzrostu wahań gęstości ciemnej materii oraz gromadzenia się wodoru i helu przyciąganego przez skupiska ciemnej materii. Rozkład ciemnej materii w skalach mniejszych niż masywne galaktyki jest nadal nieznany.
3. Kwazar
   Kwazar to centralny, zwarty obszar galaktyki, który emituje niezwykle jasne światło. Połączony obszar i jego otoczenie zawierają dużą ilość pyłu emitującego fale radiowe.
4. MGJ0414+0534
   MG J0414+0534 znajduje się w kierunku konstelacji Byka, patrząc z Ziemi. Przesunięcie ku czerwieni (wzrost długości fali światła podzielone przez pierwotną długość fali) tego obiektu wynosi z=2,639. Zakłada się, że odpowiednia odległość wynosi 11 miliardów lat świetlnych, biorąc pod uwagę niepewność parametrów kosmologicznych.

Odniesienie: „ALMA pomiar widma siły soczewkowania przy 10 kpc w stronę soczewkowanego kwazara MG J0414+0534” autorstwa Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita i Koichiro Nakanishi, 7 września 2023 r., Dziennik astrofizyczny.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Praca ta została wsparta grantem na badania naukowe przyznanym przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (nr 17H02868, 19K03937), Japońskie Narodowe Obserwatorium Astronomiczne ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, taki sam jak ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256 i Tajwan MoST.103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.