Waarnemingen door de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop en de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory in Chili hebben ontdekt dat er iets ontbreekt in de theorieën over hoe donkere materie zich gedraagt. Dit ontbrekende ingrediënt kan verklaren waarom onderzoekers een onverwachte discrepantie hebben ontdekt tussen waarnemingen van de concentraties van donkere materie in een steekproef van massieve clusters van sterrenstelsels en theoretische computersimulaties van hoe donkere materie in clusters zou moeten worden verdeeld. De nieuwe bevindingen geven aan dat sommige kleinschalige concentraties van donkere materie lenseffecten produceren die 10 keer sterker zijn dan verwacht.

Donkere materie is de onzichtbare lijm die sterren houdt, stof, en gas samen in een sterrenstelsel. Deze mysterieuze substantie vormt het grootste deel van de massa van een melkwegstelsel en vormt de basis van de grootschalige structuur van ons heelal. Omdat donkere materie niet uitzendt, absorberen, of licht weerkaatsen, zijn aanwezigheid is alleen bekend door zijn aantrekkingskracht op zichtbare materie in de ruimte. Astronomen en natuurkundigen proberen nog steeds vast te stellen wat het is.

Melkwegclusters, de meest massieve en recentelijk geassembleerde structuren in het heelal, zijn ook de grootste opslagplaatsen van donkere materie. Clusters zijn samengesteld uit afzonderlijke sterrenstelsels die grotendeels bij elkaar worden gehouden door de zwaartekracht van donkere materie.

"Clusters van sterrenstelsels zijn ideale laboratoria om te onderzoeken of de numerieke simulaties van het heelal die momenteel beschikbaar zijn, goed reproduceren wat we kunnen afleiden uit zwaartekrachtlenzen, " zei Massimo Meneghetti van het INAF-observatorium voor astrofysica en ruimtewetenschap van Bologna in Italië, hoofdauteur van de studie.

"We hebben veel van de gegevens in deze studie getest, en we zijn er zeker van dat deze mismatch aangeeft dat er een fysiek ingrediënt ontbreekt in de simulaties of in ons begrip van de aard van donkere materie, ’ voegde Meneghetti eraan toe.

"Er is een kenmerk van het echte universum dat we gewoon niet vastleggen in onze huidige theoretische modellen, " voegde Priyamvada Natarajan van de Yale University in Connecticut toe, ONS., een van de senior theoretici van het team. "Dit zou kunnen wijzen op een hiaat in ons huidige begrip van de aard van donkere materie en zijn eigenschappen, omdat deze voortreffelijke gegevens ons in staat hebben gesteld om de gedetailleerde verdeling van donkere materie op de kleinste schalen te onderzoeken."

De verdeling van donkere materie in clusters wordt in kaart gebracht door de buiging van het licht - het zwaartekrachtlenseffect - dat ze produceren te meten. De zwaartekracht van donkere materie, geconcentreerd in clusters, vergroot en vervormt het licht van verre achtergrondobjecten. Dit effect veroorzaakt vervormingen in de vorm van achtergrondsterrenstelsels die in afbeeldingen van de clusters verschijnen. Zwaartekrachtlenzen kunnen vaak ook meerdere beelden van hetzelfde verre sterrenstelsel produceren.

Hoe hoger de concentratie donkere materie in een cluster, hoe dramatischer het lichtbuigende effect. De aanwezigheid van kleinere klonten donkere materie die geassocieerd zijn met individuele clusterstelsels, verhoogt het niveau van vervormingen. In zekere zin, de melkwegcluster fungeert als een grootschalige lens waarin veel kleinere lenzen zijn ingebed.

De scherpe beelden van Hubble zijn gemaakt door de Wide Field Camera 3 en Advanced Camera for Surveys van de telescoop. In combinatie met spectra van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory, het team produceerde een nauwkeurige, zeer betrouwbaar, donkere materie kaart. Door de lensvervormingen te meten, konden astronomen de hoeveelheid en de verdeling van donkere materie achterhalen. De drie belangrijkste clusters van sterrenstelsels, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, en Abell S1063, were part of two Hubble surveys:The Frontier Fields and the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) programs.

To the team's surprise, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.

"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."

"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Italië.

By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, lens, background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.

The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.

"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Italië.

"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Italië.

astronomen, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.