Ciemna materia: poszukiwanie niewidzialnego w najmniejszych galaktykach wszechświata

Ciemna materia – ta osobliwa, niewidzialna substancja, która ma spajać galaktyki – pozostaje jedną z największych tajemnic astrofizyki. Mimo że stanowi 27% wszechświata, wyjątkowo trudno ją zaobserwować. Wynika to z tego, że w przeciwieństwie do zwykłej materii ciemna materia nie pochłania, nie odbija ani nie emituje światła. Jak dotąd badacze byli jedynie w stanie wydedukować jej istnienie na podstawie wpływu grawitacyjnego, jaki wydaje się ona wywierać na widzialną materię.

Jednak nowa metoda pomiaru ciemnej materii w centrum galaktyk karłowatych otwiera nowe możliwości w zakresie poszukiwania tej nieuchwytnej substancji. Przy wsparciu finansowanego przez UE projektu CLUSTERS zespół astrofizyków opracował taką technikę, koncentrując się na gromadach gwiazd. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.

Gromady gwiazd, a dokładniej gromady kuliste, są starymi układami tysięcy lub setek tysięcy gwiazd, które trzymają się razem za sprawą przyciągania grawitacyjnego. Naukowcy zdawali sobie sprawę, że badanie zachowania się takich gromad w galaktyce mogłoby dostarczyć nowych informacji na temat ciemnej materii.

Najlepszymi kandydatami do badania gromad gwiazd są najmniejsze galaktyki we wszechświecie, zwane galaktykami karłowatymi. Galaktyki takie występują na przykład na orbicie wokół Drogi Mlecznej i są zdominowane przez ciemną materię. Najmniejsze galaktyki karłowate, ultra-słabe galaktyki karłowate, składają się z najwyżej dziesiątek tysięcy gwiazd – to kropla w morzu w porównaniu z 200–400 miliardami gwiazd w naszej Drodze Mlecznej.

Badanie ciemnej materii

Aby dowiedzieć się, z czego składa się ciemna materia, naukowcy używają szczegółowych modeli umożliwiających porównywanie jej rozmieszczenia w galaktykach. Gdyby udało się zmierzyć ciemną materię, byłby to pierwszy krok na drodze do rozwikłania tajemnicy jej natury. Jednak brak gazu i mała liczba gwiazd w ultra-słabych galaktykach karłowatych uniemożliwiały dotąd takie pomiary. To jednak zmieniło się za sprawą nowej metody opracowanej przez naukowców z projektu CLUSTERS.

Kluczowym elementem metody zastosowanej przez naukowców było wykorzystanie gęstych gromad gwiazd, które krążą w pobliżu centrum galaktyki karłowatej. W przeciwieństwie do galaktyk, gromady gwiazd są tak gęste, że oddziaływanie grawitacyjne powoduje rozpraszanie się gwiazd, a tym samym rozszerzanie się gromad. Zespół zdał sobie sprawę, że pole grawitacyjne, w którym orbituje gromada, a w konsekwencji rozkład ciemnej materii w galaktyce macierzystej mają istotne znaczenie dla tempa rozszerzania się gromady.

Symulacje komputerowe wykazały, że struktura gromad gwiazd zależy od tego, czy ciemna materia jest rozmieszczona jednorodnie, czy też gęsto upakowana w centrum galaktyk. Astrofizycy przetestowali nową metodę na ultra-słabej galaktyce karłowatej Eridanus II. Ta jedna z najmniejszych znanych galaktyk posiada samotną gromadę gwiazd oddalonych o około 147 lat świetlnych od jej centrum. Wyniki badania wskazują na istnienie rdzenia ciemnej materii w Eridanus II, natomiast ilość ciemnej materii okazała się znaczniej mniejsza, niż oczekiwano.

Profesor Justin Read, współautor badania, skomentował jego wyniki na portalu informacyjnym Phys.org: „Możliwe, że ciemna materia w samym centrum galaktyki Eridanus II została »podgrzana« przez gwałtowne formowanie się gwiazd, jak sugeruje część nowych modeli numerycznych. Bardziej frapujące jest jednak to, że ciemna materia może być bardziej złożona, niż zakładaliśmy do tej pory”.

Rezultaty projektu CLUSTERS (Galaxy formation through the eyes of globular clusters) dotyczące ciemnej materii są wykorzystywane do dokładniejszego poznania gromad kulistych.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS