ALMA onthult een subtiele signatuur van donkere materie

Baanbrekende waarnemingen onthullen fluctuaties in donkere materie onder het niveau van sterrenstelsels, bevestigen theorieën over koude donkere materie en verschaffen nieuwe inzichten in de vorming van het universum.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Kaiki Taro Inoue van de Kindai Universiteit (Osaka, Japan) heeft met behulp van de krachtigste radio-interferometer ter wereld, de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, fluctuaties in de verdeling van donkere materie in het universum gedetecteerd op schalen kleiner dan massieve sterrenstelsels. Array).Alma), gelegen in de Republiek Chili.

Dit is de eerste keer dat ruimtelijke fluctuaties van donkere materie zijn gedetecteerd in het verre heelal op een schaal van 30.000 lichtjaar. Dit resultaat laat zien dat er sprake is van koude donkere materie^[1] Dit verdient de voorkeur, zelfs op kleinere schalen dan massieve sterrenstelsels, en is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen van de ware aard van donkere materie. Het artikel zal worden gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift.

Figuur 1. Fluctuaties gedetecteerd in donkere materie. Een helderdere oranje kleur duidt op gebieden met een hoge dichtheid van donkere materie en een donkerdere oranje kleur duidt op gebieden met een lage dichtheid van donkere materie. De witte en blauwe kleuren vertegenwoordigen door ALMA waargenomen objecten met zwaartekrachtlenzen. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

De belangrijkste punten

• Observatie door een van ’s werelds grootste radiogolfinterferometers ALMA, een internationaal project.
• De eerste detectie van fluctuaties in donkere materie in het universum op een schaal van minder dan 30.000 lichtjaar.
• Een belangrijke stap in de richting van het ophelderen van de ware aard van donkere materie.

ALMA detecteert kleinschalige fluctuaties in de verdeling van donkere materie

Er wordt aangenomen dat donkere materie, de onzichtbare materie die een groot deel van de massa van het universum uitmaakt, een belangrijke rol heeft gespeeld bij de vorming van structuren zoals sterren en sterrenstelsels.^[2] Omdat donkere materie niet gelijkmatig in de ruimte is verdeeld, maar in groepjes is verdeeld, kan de zwaartekracht ervan het pad van licht (inclusief radiogolven) dat afkomstig is van verre lichtbronnen enigszins veranderen. Waarnemingen van dit effect (zwaartekrachtlensing) hebben aangetoond dat donkere materie geassocieerd is met relatief massieve sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, maar hoe deze zich op kleinere schaal verspreidt is nog niet bekend.

Het onderzoeksteam besloot ALMA te gebruiken om een ​​object op 11 miljard lichtjaar van de aarde te observeren. Het object is een quasar met lens,^[3] MG J0414+0534^[4] (hierna “deze quasar” genoemd).

Deze quasar lijkt een vierzijdig beeld te hebben vanwege het zwaartekrachtlenseffect van het voorgrondstelsel. De posities en vormen van deze schijnbare beelden verschillen echter van de beelden die uitsluitend zijn berekend op basis van het zwaartekrachtlenseffect van het voorgrondstelsel, wat erop wijst dat het zwaartekrachtlenseffect van de distributie van donkere materie op schalen kleiner dan massieve sterrenstelsels aan het werk is.

Figuur 2: Conceptueel diagram van het MG J0414+0534 zwaartekrachtlenssysteem. Het object in het midden van de afbeelding duidt op een lenticulair sterrenstelsel. Oranje toont donkere materie in de intergalactische ruimte, en lichtgeel duidt op donkere materie in een lenticulair sterrenstelsel. Krediet: NAOJ, KT Inoue

Er werd ontdekt dat er ruimtelijke fluctuaties zijn in de dichtheid van donkere materie, zelfs op een schaal van ongeveer 30.000 lichtjaar, wat veel kleiner is dan de kosmische schaal (enkele tientallen miljarden lichtjaren). Dit resultaat komt overeen met de theoretische voorspelling van koude donkere materie, die voorspelt dat klontjes donkere materie niet alleen in sterrenstelsels voorkomen (lichtgeel in figuur 2), maar ook in de intergalactische ruimte (oranje in figuur 2).

De zwaartekrachtlenseffecten van de donkere materieklonten die in dit onderzoek zijn gevonden, zijn zo klein dat ze op zichzelf uiterst moeilijk te detecteren zijn. Dankzij het zwaartekrachtlenseffect veroorzaakt door het voorgrondstelsel en de hoge resolutie van ALMA konden we de effecten echter voor het eerst detecteren. Daarom is dit onderzoek een belangrijke stap om de theorie van donkere materie te verifiëren en de ware aard ervan te verduidelijken.

Dit onderzoek wordt gepresenteerd in een artikel met de titel “ALMA-meting van lenskrachtspectra bij 10 kpc richting de lens-quasar MG J0414+0534” door KT Inoue et al. In de Astrofysisch tijdschrift.

Opmerkingen

1. Koude donkere materie
   Naarmate het heelal uitdijt, neemt de dichtheid van de materie af, zodat deeltjes van donkere materie (materie die onzichtbaar is voor licht) niet langer andere deeltjes tegenkomen en een onafhankelijke beweging zullen hebben die verschilt van de beweging van gewone materie. In dit geval worden donkere materiedeeltjes die met een snelheid veel lager dan de lichtsnelheid bewegen ten opzichte van gewone materie koude donkere materie genoemd. Vanwege hun lage snelheid hebben ze niet het vermogen om grootschalige structuren in het universum uit te wissen.
2. Vorming van structuur in het universum
   Men denkt dat sterren en sterrenstelsels in het vroege heelal zijn ontstaan ​​als gevolg van de zwaartekrachtgroei door schommelingen in de dichtheid van donkere materie, en de ophoping van waterstof en helium die worden aangetrokken door klontjes donkere materie. De verspreiding van donkere materie op schalen kleiner dan die van massieve sterrenstelsels is nog onbekend.
3. Quasar
   Een quasar is het centrale, compacte gebied van een sterrenstelsel dat extreem helder licht uitstraalt. Het gecombineerde gebied en de omgeving ervan bevatten een grote hoeveelheid stof dat radiogolven uitzendt.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 bevindt zich in de richting van het sterrenbeeld Stier, gezien vanaf de aarde. De roodverschuiving (toename van de golflengte van het licht gedeeld door de oorspronkelijke golflengte) van dit object is z=2,639. Er wordt aangenomen dat de overeenkomstige afstand 11 miljard lichtjaar bedraagt, rekening houdend met de onzekerheid in kosmologische parameters.

Referentie: “ALMA-meting van lenskrachtspectra bij 10 kpc richting lensquasar MG J0414+0534” door Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita en Koichiro Nakanishi, 7 september 2023, Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Dit werk werd ondersteund door een Grant-in-Aid voor Wetenschappelijk Onderzoek van de Japan Society for the Promotion of Science (nr. 17H02868, 19K03937), het National Astronomical Observatory of Japan ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, hetzelfde als het ALMA JAPAN Onderzoeksfonds NAOJ-ALMA-256 en Taiwan MoST. 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.