Bij het zoeken naar donkere materie, astronomen moeten op een soort 'spookjacht' gaan. Dat komt omdat donkere materie een onzichtbare substantie is die niet direct kan worden gezien. Toch vormt het het grootste deel van de massa van het universum en vormt het de steiger waarop sterrenstelsels zijn gebouwd. Donkere materie is de zwaartekracht "lijm" die zowel sterrenstelsels als clusters van sterrenstelsels bij elkaar houdt. Astronomen kunnen zijn aanwezigheid indirect detecteren door te meten hoe zijn zwaartekracht sterren en sterrenstelsels beïnvloedt.

De mysterieuze substantie is niet samengesteld uit hetzelfde materiaal waaruit sterren bestaan, planeten, en mensen. Dat materiaal is normale "baryonische" materie, bestaande uit elektronen, protonen, en neutronen. Echter, donkere materie kan een soort onbekend subatomair deeltje zijn dat een zwakke wisselwerking heeft met normale materie.

Een populaire theorie stelt dat donkere materiedeeltjes niet erg snel bewegen, wat het voor hen gemakkelijker maakt om samen te klonteren. Volgens dit idee, het heelal bevat een breed scala aan donkere materieconcentraties, van klein tot groot.

Astronomen hebben klonten van donkere materie ontdekt rond grote en middelgrote sterrenstelsels. Nutsvoorzieningen, met behulp van Hubble en een nieuwe waarnemingstechniek, astronomen hebben ontdekt dat donkere materie veel kleinere klonten vormt dan tot nu toe bekend was.

De onderzoekers zochten naar kleine concentraties donkere materie in de Hubble-gegevens door te meten hoe het licht van verre quasars wordt beïnvloed terwijl het door de ruimte reist. Quasars zijn de heldere, door zwarte gaten aangedreven kernen van zeer verre sterrenstelsels. De Hubble-afbeeldingen laten zien dat het licht van deze quasars-afbeeldingen wordt vervormd en vergroot door de zwaartekracht van massieve voorgrondstelsels in een effect dat zwaartekrachtlens wordt genoemd. Astronomen gebruikten dit lenseffect om de kleine klontjes donkere materie te detecteren. De klonten bevinden zich langs de zichtlijn van de telescoop naar de quasars, evenals in en rond de lensstelsels op de voorgrond.

Met behulp van NASA's Hubble-ruimtetelescoop en een nieuwe waarnemingstechniek, astronomen hebben ontdekt dat donkere materie veel kleinere klonten vormt dan tot nu toe bekend was. Dit resultaat bevestigt een van de fundamentele voorspellingen van de algemeen aanvaarde "koude donkere materie"-theorie.

alle sterrenstelsels, volgens deze theorie, vorm en zijn ingebed in wolken van donkere materie. Donkere materie zelf bestaat uit langzaam bewegende, of "koud, " deeltjes die samenkomen om structuren te vormen variërend van honderdduizenden keren de massa van het Melkwegstelsel tot klonten die niet massiever zijn dan het gewicht van een commercieel vliegtuig. (In deze context, "koud" verwijst naar de snelheid van de deeltjes.)

De Hubble-waarneming levert nieuwe inzichten op in de aard van donkere materie en hoe deze zich gedraagt. "We hebben een zeer overtuigende observatietest gedaan voor het koude donkere materie-model en het slaagt met vlag en wimpel, " zei Tommaso Treu van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), lid van het observatieteam.

Donkere materie is een onzichtbare vorm van materie die het grootste deel van de massa van het universum uitmaakt en de steiger vormt waarop sterrenstelsels zijn gebouwd. Hoewel astronomen donkere materie niet kunnen zien, ze kunnen zijn aanwezigheid indirect detecteren door te meten hoe zijn zwaartekracht sterren en sterrenstelsels beïnvloedt. Het detecteren van de kleinste formaties van donkere materie door te zoeken naar ingebedde sterren kan moeilijk of onmogelijk zijn, omdat ze heel weinig sterren bevatten.

Hoewel er concentraties van donkere materie zijn gedetecteerd rond grote en middelgrote sterrenstelsels, veel kleinere klontjes donkere materie zijn tot nu toe niet gevonden. Bij gebrek aan observationeel bewijs voor dergelijke kleinschalige klonten, sommige onderzoekers hebben alternatieve theorieën ontwikkeld, inclusief 'warme donkere materie'. Dit idee suggereert dat donkere materiedeeltjes snel bewegen, te snel meegaan om samen te smelten en kleinere concentraties te vormen. De nieuwe waarnemingen ondersteunen dit scenario niet, vinden dat donkere materie "kouder" is dan het zou moeten zijn in de alternatieve theorie van warme donkere materie.

"Donkere materie is kouder dan we wisten op kleinere schaal, " zei Anna Nierenberg van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, leider van het Hubble-onderzoek. "Astronomen hebben eerder andere waarnemingstests van theorieën over donkere materie uitgevoerd, maar die van ons levert het sterkste bewijs tot nu toe voor de aanwezigheid van kleine klompjes koude donkere materie. Door de nieuwste theoretische voorspellingen te combineren, statistische hulpmiddelen, en nieuwe Hubble-waarnemingen, we hebben nu een veel robuuster resultaat dan voorheen mogelijk was."

Het is een uitdaging gebleken om op zoek te gaan naar concentraties van donkere materie zonder sterren. Het Hubble-onderzoeksteam, echter, gebruikten een techniek waarbij ze niet naar de gravitatie-invloed van sterren hoefden te zoeken als tracers van donkere materie. Het team richtte zich op acht krachtige en verre kosmische "straatlantaarns, " quasars genoemd (gebieden rond actieve zwarte gaten die enorme hoeveelheden licht uitstralen). De astronomen hebben gemeten hoe het licht dat wordt uitgestraald door zuurstof en neongas dat rond elk van de zwarte gaten van de quasars draait, wordt vervormd door de zwaartekracht van een enorm voorgrondstelsel, die als een vergrootglas fungeert.

Met behulp van deze methode, het team ontdekte klonten van donkere materie langs de zichtlijn van de telescoop naar de quasars, evenals in en rond de tussenliggende lensstelsels. De door Hubble gedetecteerde donkere materieconcentraties zijn 1/10, 000ste tot 1/100, 000ste keer de massa van de halo van donkere materie in de Melkweg. Veel van deze kleine groeperingen bevatten hoogstwaarschijnlijk zelfs geen kleine sterrenstelsels, en daarom zou het onmogelijk zijn geweest om te detecteren met de traditionele methode om naar ingebedde sterren te zoeken.

De acht quasars en sterrenstelsels waren zo precies uitgelijnd dat het kromtrekkende effect, zwaartekrachtlensing genoemd, produceerde vier vervormde beelden van elke quasar. Het effect is alsof je naar een funhouse-spiegel kijkt. Dergelijke viervoudige afbeeldingen van quasars zijn zeldzaam vanwege de bijna exacte uitlijning die nodig is tussen het voorgrondstelsel en de achtergrondquasar. Echter, de onderzoekers hadden de meerdere afbeeldingen nodig om een ​​meer gedetailleerde analyse uit te voeren.

De aanwezigheid van klonten van donkere materie verandert de schijnbare helderheid en positie van elk vervormd quasarbeeld. Astronomen vergeleken deze metingen met voorspellingen van hoe de quasarbeelden eruit zouden zien zonder de invloed van donkere materie. De onderzoekers gebruikten de metingen om de massa's van de kleine concentraties donkere materie te berekenen. Om de gegevens te analyseren, de onderzoekers ontwikkelden ook uitgebreide computerprogramma's en intensieve reconstructietechnieken.

"Stel je voor dat elk van deze acht sterrenstelsels een gigantisch vergrootglas is, ", legt teamlid Daniel Gilman van UCLA uit. "Kleine klontjes van donkere materie fungeren als kleine scheurtjes in het vergrootglas, het veranderen van de helderheid en positie van de vier quasarbeelden in vergelijking met wat je zou verwachten als het glas glad was."

De onderzoekers gebruikten Hubble's Wide Field Camera 3 om het nabij-infrarode licht van elke quasar vast te leggen en te verspreiden in zijn samenstellende kleuren voor onderzoek met spectroscopie. Unieke emissies van de achtergrondquasars zijn het best te zien in infrarood licht. "Hubble's observaties vanuit de ruimte stellen ons in staat om deze metingen te doen in melkwegstelsels die niet toegankelijk zouden zijn met de lagere resolutie van telescopen op de grond - en de atmosfeer van de aarde is ondoorzichtig voor het infraroodlicht dat we moesten observeren, ", legt teamlid Simon Birrer van UCLA uit.

Treu voegde toe:"Het is ongelooflijk dat na bijna 30 jaar gebruik, Hubble maakt baanbrekende inzichten mogelijk in de fundamentele fysica en de aard van het universum waar we niet eens van konden dromen toen de telescoop werd gelanceerd."

De zwaartekrachtlenzen werden ontdekt door te zeven door grondonderzoeken zoals de Sloan Digital Sky Survey en Dark Energy Survey, die de meest gedetailleerde driedimensionale kaarten van het universum bieden die ooit zijn gemaakt. De quasars bevinden zich op ongeveer 10 miljard lichtjaar van de aarde; de voorgrond sterrenstelsels, ongeveer 2 miljard lichtjaar.

Het aantal kleine structuren dat in het onderzoek is gedetecteerd, biedt meer aanwijzingen over de aard van donkere materie. "De deeltjeseigenschappen van donkere materie beïnvloeden hoeveel klonten zich vormen, " legde Nierenberg uit. "Dat betekent dat je meer te weten kunt komen over de deeltjesfysica van donkere materie door het aantal kleine klontjes te tellen."

Echter, het type deeltje waaruit donkere materie bestaat, is nog steeds een mysterie. "Momenteel, er is geen direct bewijs in het lab dat donkere materiedeeltjes bestaan, Birrer zei. "Deeltjesfysici zouden niet eens over donkere materie praten als de kosmologen niet zouden zeggen dat het er is, gebaseerd op waarnemingen van de effecten ervan. Als wij kosmologen praten over donkere materie, we vragen, 'Hoe regelt het het uiterlijk van het universum, en op welke schaal?'"

Astronomen zullen vervolgstudies van donkere materie kunnen uitvoeren met toekomstige NASA-ruimtetelescopen zoals de James Webb Space Telescope en de Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), beide infrarood observatoria. Webb zal in staat zijn om deze metingen efficiënt te verkrijgen voor alle bekende quasars met viervoudige lens. De scherpte en het grote gezichtsveld van WFIRST zullen astronomen helpen bij het observeren van het hele gebied van de ruimte dat wordt beïnvloed door het immense zwaartekrachtsveld van massieve sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Dit zal onderzoekers helpen om veel meer van deze zeldzame systemen te ontdekken.

Het team zal zijn resultaten presenteren op de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Honolulu, Hawaii.