Donkere materie, een mysterieuze vorm van materie die ongeveer 80 procent van de massa van het universum uitmaakt, decennia lang aan detectie ontsnapt. Hoewel het geen interactie heeft met licht, wetenschappers geloven dat het daar is vanwege zijn invloed op sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.

Het strekt zich uit tot ver buiten het bereik van de verste sterren in sterrenstelsels, het vormen van wat wetenschappers een halo van donkere materie noemen. Terwijl sterren in de melkweg 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.

Eerder onderzoek onder leiding van postdoctoraal fellow Eric Baxter; Bhuvnesh Jain, Walter H. en Leonore C. Annenberg Professor in de Natuurwetenschappen bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Penn's School of Arts and Sciences; en Chihway Chang van de Universiteit van Chicago hebben aangetoond dat halo's van donkere materie rond clusters van sterrenstelsels een voordeel hebben vanwege het 'splashback-effect'.

"Je hebt deze grote halo van donkere materie die elke cluster van sterrenstelsels omringt, ' zei Baxter, "en het heeft materie gedurende zijn hele geschiedenis door de zwaartekracht opgehoopt. Terwijl die materie naar binnen wordt getrokken, het gaat steeds sneller. Wanneer 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.

In hun eerste studie, de onderzoekers gebruikten gegevens van de Sloan Digital Sky Survey om de verspreiding van sterrenstelsels rond clusters te onderzoeken. In een vervolgonderzoek met gegevens uit het eerste jaar van de Dark Energy Survey, de onderzoekers gebruikten een andere methode genaamd zwaartekrachtlensing, die profiteert van een fenomeen waarbij licht dat naar een waarnemer komt, buigt als materie er zwaartekracht op uitoefent. Door te kijken naar de lichte uitrekking van objecten achter sterrenstelsels, de onderzoekers kunnen het massaprofiel direct meten, hoe massa is verdeeld in de melkweg.

"Er zijn veel verschillende toepassingen van lensing, "Jain zei, "maar dit is er een waar iets van niet-detecteerbaar naar detecteerbaar ging, dus het is bijzonder spannend."

In een paper dat in de Astrofysisch tijdschrift , de onderzoekers toonden aan dat deze methode een begrip opleverde van de halo's van donkere materie dat in grote lijnen overeenkomt met wat ze zagen met het licht van de clusterstelsels in hun eerste onderzoek.

"We waren bezig met de vraag of halo's van donkere materie een scherpe grens hebben, Jain zei. "De gouden standaard om dit vast te stellen is om rechtstreeks naar de massa te kijken door middel van zwaartekrachtlenzen, wat nog niet eerder is gedaan. Met de nieuwste compilatie van DES-gegevens zien we een beeld dat erg lijkt op wat we zagen bij de verspreiding van sterrenstelsels."

Het meten van zwaartekrachtlenzen is een stuk moeilijker dan alleen de verdeling van sterrenstelsels meten, zei Jaïn.

"We kunnen sterrenstelsels gemakkelijk zien, we maken er gewoon een foto van, " hij zei, "maar met zwaartekrachtlenzen moeten we foto's maken van veel meer zwakke, achtergrondsterrenstelsels en meet hoe die op minuscule manieren worden vervormd. Het is een uitdagende meting."

Dit laat meer ruimte voor fouten in de metingen, waardoor ze minder nauwkeurig zijn. Echter, de bevindingen waren alleen gebaseerd op het eerste jaar van waarnemingen van de Dark Energy Survey. Tegen het einde van de enquête, er komen nog vier jaar aan gegevens voor de onderzoekers om te analyseren. Hierdoor kunnen ze nauwkeuriger meten, rechtstreeks de materie in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels onderzoeken met behulp van zwaartekrachtlenzen. Tests van donkere materie zijn dan mogelijk, omdat nieuwe fysieke interacties tussen donkere materiedeeltjes de locatie van terugspatten zouden kunnen verschuiven.

"We kunnen uitkijken naar een duidelijker beeld van mysterieuze halo's van donkere materie, ' zei Jaïn.