Onderzoek van de Universiteit van Pennsylvania zou licht kunnen werpen op de verspreiding van een van de meest mysterieuze stoffen in het universum.

In de jaren zeventig, wetenschappers merkten iets vreemds op aan de beweging van sterrenstelsels. Alle materie aan de rand van spiraalvormige sterrenstelsels roteerde net zo snel als materiaal in het binnenste deel van het sterrenstelsel. Maar volgens de wetten van de zwaartekracht, objecten aan de rand zouden langzamer moeten bewegen.

De verklaring:een vorm van materie die donkere materie wordt genoemd en die niet rechtstreeks in wisselwerking staat met licht.

Veel wetenschappers geloven nu dat meer dan 80 procent van de materie van het universum is opgesloten in mysterieuze, nog niet ontdekt, deeltjes donkere materie, die van invloed zijn op alles, van hoe objecten binnen een melkwegstelsel bewegen tot hoe melkwegstelsels en melkwegclusters in de eerste plaats samenklonteren.

Deze donkere materie reikt tot ver buiten het bereik van de verste sterren in de melkweg, het vormen van wat wetenschappers een halo van donkere materie noemen. Terwijl sterren in de melkweg allemaal in een nette, georganiseerde schijf, deze donkere materiedeeltjes zijn als een zwerm bijen, chaotisch bewegen in willekeurige richtingen, waardoor ze opgeblazen blijven om de innerlijke aantrekkingskracht van de zwaartekracht in evenwicht te houden.

Bhuvnesh Jain, een natuurkunde professor aan Penn's School of Arts &Sciences, en postdoc Eric Baxter doen onderzoek dat nieuwe inzichten kan geven in de structuur van deze halo's.

De onderzoekers wilden onderzoeken of deze halo's van donkere materie een rand of grens hebben.

"Mensen hebben zich over het algemeen een vrij soepele overgang voorgesteld van de materie die gebonden is aan de melkweg naar de materie tussen sterrenstelsels, die ook door de zwaartekracht wordt aangetrokken door de sterrenstelsels en clusters, "Jain zei. "Maar theoretisch, met behulp van computersimulaties een paar jaar geleden, onderzoekers van de Universiteit van Chicago toonden aan dat voor clusters van sterrenstelsels een scherpe grens wordt verwacht, zorgen voor een duidelijke overgang die we zouden moeten kunnen zien door een zorgvuldige analyse van de gegevens."

Wetenschappers geloven dat deze regio, of "rand" is te wijten aan het "splashback-effect".

"Je hebt daar een grote halo van donkere materie, ' zei Baxter, "en het heeft materie gedurende zijn hele geschiedenis door de zwaartekracht opgehoopt. Terwijl die materie naar binnen wordt getrokken, het wordt steeds sneller. Als het eindelijk in de halo valt, het draait zich om en begint in een baan om de aarde te draaien. Die ommekeer is wat mensen splashback gaan noemen, omdat dingen in zekere zin terugspatten."

Als de zaak "terug spat, " het vertraagt. Omdat dit effect zich in veel verschillende richtingen voordoet, het leidt tot een opeenhoping van materie aan de rand van de halo en een steile afname van de hoeveelheid materie net buiten die positie. Dit is wat de Penn-onderzoekers in de gegevens hebben onderzocht.

Met behulp van een melkwegonderzoek genaamd de Sloan Digital Sky Survey, of SDSS, Baxter en Jain keken naar de verdeling van sterrenstelsels rond clusters. Ze vormden een team van experts aan de Universiteit van Chicago en andere instellingen over de hele wereld om duizenden clusters van sterrenstelsels te onderzoeken. Met behulp van statistische hulpmiddelen om een ​​gezamenlijke analyse uit te voeren van enkele miljoenen sterrenstelsels om hen heen, ze vonden een druppel aan de rand van het cluster. Baxter en medewerker Chihway Chang aan de Universiteit van Chicago leidden een paper waarin de bevindingen werden gerapporteerd, geaccepteerd voor publicatie in de Astrofysisch tijdschrift .

Naast het zien van deze voorsprong toen ze naar de distributie van sterrenstelsels keken, de onderzoekers zagen er ook bewijs van in de vorm van melkwegkleuren.

Wanneer een melkwegstelsel vol gas is en vele grote, hete sterren, de hitte zorgt ervoor dat het blauw lijkt wanneer wetenschappers er foto's van maken.

"Maar die grote sterren leven een heel kort leven, "Zei Baxter. "Ze ontploffen. Wat je overhoudt zijn deze kleinere, oudere sterren die lange tijd leven, en die zijn rood."

Als wetenschappers naar sterrenstelsels in clusters kijken, ze lijken rood omdat ze geen sterren vormen.

"Eerdere studies hebben aangetoond dat er interacties zijn binnen de cluster die ervoor kunnen zorgen dat sterrenstelsels stoppen met het vormen van sterren, " zei Baxter. "Je zou je bijvoorbeeld kunnen voorstellen dat een melkwegstelsel in een cluster valt, en het gas uit de melkweg wordt verwijderd door gas in de cluster. Na het verliezen van zijn gas, de melkweg zal niet in staat zijn om veel sterren te vormen."

Daarom, wetenschappers verwachten dat sterrenstelsels die meer tijd hebben doorgebracht om door een cluster te cirkelen, rood zullen lijken, terwijl sterrenstelsels die net beginnen in te vallen, blauw zullen lijken.

De onderzoekers merkten een plotselinge verschuiving op in de kleuren van sterrenstelsels precies aan de grens, hen voorzien van meer bewijs dat halo's van donkere materie een voordeel hebben.

"Het was echt interessant en verrassend om deze scherpe verandering in kleuren te zien, "Jain zei, "omdat de verandering van melkwegkleuren een zeer langzaam en complex proces is."

De onderzoekers werken aan een ander artikel met behulp van een dieper onderzoek van meer dan honderd miljoen sterrenstelsels genaamd de Dark Energy Survey, of DES.

Zowel de SDSS als de DES maken enorme kaarten van de lucht met behulp van een enorme camera die volgens Jain niet fundamenteel verschilt van de camera's in smartphones, maar groter en nauwkeuriger en kost miljoenen dollars om te bouwen.

In de DES, als de camera opengaat, het duurt een blootstelling van een paar minuten, en gaat dan naar een ander deel van de lucht. Dit proces wordt in de loop van meerdere jaren herhaald met behulp van verschillende filters, zodat wetenschappers een enquête in meerdere kleuren kunnen krijgen.

Met de DES kunnen de onderzoekers uitgebreide metingen doen, duwen naar grotere afstanden.

In plaats van de verdeling van sterrenstelsels te meten, de onderzoekers gebruiken een astrofysisch fenomeen genaamd zwaartekrachtlensing om de halo's van donkere materie te onderzoeken. Bij zwaartekrachtlenzen, licht dat naar een waarnemer komt, buigt af als materie er zwaartekracht op uitoefent.

De onderzoekers kunnen beelden van de lucht analyseren om te zien hoe clusters beelden van de achter hen liggende sterrenstelsels uitrekken.

"Licht zal buigen als er massa is, "Zei Baxter. "Door deze doorbuigingen te meten, kunnen we de massa direct meten die koel is, omdat het grootste deel van de massa donkere materie is die we niet kunnen zien, dus het is een soort unieke manier om de donkere materie te onderzoeken."

In termen van fundamenteel begrip van het universum, Baxter zei, donkere materie is een van de grootste mysteries die er op dit moment is.

"Je kijkt in de lucht, zelfs met de grootste optische telescopen, en je ziet niets voorbij het licht van de sterrenstelsels, "Zei Jain. "Er is gewoon deze donkere materie."

De onderzoekers hopen dat hun onderzoek zal bijdragen aan een beter begrip van de mysterieuze substantie die ongeveer 80 procent van de materie in het universum uitmaakt. Als ze de rand van een halo van donkere materie kunnen markeren, het zou hen in staat stellen dingen als Einsteins zwaartekrachttheorie en de aard van donkere materie te testen.

"Het is gewoon een nieuwe manier om naar clusters te kijken, "Zei Jain. "Zodra je de grens hebt gevonden, kun je zowel de standaardfysica bestuderen van hoe sterrenstelsels interageren met het cluster als de mogelijk onbekende fysica van wat de aard van donkere materie en zwaartekracht is."