Een nieuwe kijk op Hubble-afbeeldingen van sterrenstelsels kan een stap zijn in de richting van het verlichten van de ongrijpbare aard van donkere materie, het niet-waarneembare materiaal dat het grootste deel van het universum vormt, volgens een studie die vandaag online is gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Gebruikmakend van Hubble's eerdere observaties van zes massieve melkwegclusters in het Frontier Fields-programma, astronomen hebben aangetoond dat intraclusterlicht - de diffuse gloed tussen sterrenstelsels in een cluster - het pad van donkere materie volgt, de verspreiding ervan nauwkeuriger verlichten dan bestaande methoden die röntgenlicht waarnemen.

Intraclusterlicht is het bijproduct van interacties tussen sterrenstelsels die hun structuren verstoren; in de chaos, individuele sterren worden losgegooid van hun zwaartekrachtsankers in hun eigen melkwegstelsel om zichzelf opnieuw uit te lijnen met de zwaartekrachtkaart van de totale cluster. Dit is ook waar de overgrote meerderheid van de donkere materie zich bevindt. Röntgenlicht geeft aan waar groepen sterrenstelsels botsen, maar niet de onderliggende structuur van het cluster. Dit maakt het een minder nauwkeurige tracer van donkere materie.

"De reden dat intraclusterlicht zo'n uitstekende tracer is van donkere materie in een cluster van melkwegstelsels, is dat zowel de donkere materie als deze sterren die het intraclusterlicht vormen vrij zweven op het zwaartekrachtpotentieel van de cluster zelf - dus ze volgen precies de dezelfde zwaartekracht, " zei Mireia Montes van de Universiteit van New South Wales in Sydney, Australië, wie is co-auteur van de studie. "We hebben een nieuwe manier gevonden om de locatie te zien waar de donkere materie zou moeten zijn, omdat je precies hetzelfde zwaartekrachtspotentieel volgt. We kunnen verlichten, met een zeer zwakke gloed, de positie van donkere materie."

Montes benadrukt ook dat niet alleen de methode nauwkeurig is, maar het is efficiënter omdat het alleen gebruik maakt van diepe beeldvorming, in plaats van de meer complexe, tijdsintensieve technieken van spectroscopie. Dit betekent dat meer clusters en objecten in de ruimte in minder tijd kunnen worden bestudeerd, wat betekent dat er meer potentieel bewijs is van waaruit donkere materie bestaat en hoe deze zich gedraagt.

"Deze methode stelt ons in staat om te karakteriseren, op een statistische manier, de ultieme aard van donkere materie, ' zei Montes.

"Het idee voor het onderzoek ontstond toen we naar de ongerepte Hubble Frontier Field-beelden keken, " zei co-auteur Ignacio Trujillo van het Instituut voor Astronomie van de Canarische Eilanden in Tenerife, Spanje, die samen met Montes jarenlang intraclusterlicht had bestudeerd. "De Hubble Frontier Fields toonden intraclusterlicht in ongekende helderheid. De beelden waren inspirerend, ' zei Trujillo. 'Toch, Ik had niet verwacht dat de resultaten zo nauwkeurig zouden zijn. De implicaties voor toekomstig ruimteonderzoek zijn erg opwindend."

"De astronomen gebruikten de Modified Hausdorff Distance (MHD), een metriek die wordt gebruikt bij het matchen van vormen, om de overeenkomsten te meten tussen de contouren van het intraclusterlicht en de contouren van de verschillende massakaarten van de clusters, die worden verstrekt als onderdeel van de gegevens van het Hubble Frontier Fields-project, gehuisvest in het Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST). De MHD is een maat voor hoe ver twee subsets van elkaar verwijderd zijn. Hoe kleiner de waarde van MHD, hoe meer vergelijkbaar de twee puntensets zijn. Deze analyse toonde aan dat de intraclusterlichtverdeling die te zien is in de Hubble Frontier Fields-afbeeldingen beter overeenkwam met de massaverdeling van de zes melkwegclusters dan röntgenstraling, zoals afgeleid van gearchiveerde waarnemingen van Chandra X-ray Observatory's Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS).

Naast deze eerste studie, Montes en Trujillo zien meerdere mogelijkheden om hun onderzoek uit te breiden. Beginnen, ze willen de waarnemingsstraal in de oorspronkelijke zes clusters vergroten, om te zien of de mate van traceernauwkeurigheid standhoudt. Een andere belangrijke test van hun methode is de observatie en analyse van extra clusters van sterrenstelsels door meer onderzoeksteams, om aan de dataset toe te voegen en hun bevindingen te bevestigen.

De astronomen kijken ook uit naar de toepassing van dezelfde technieken met toekomstige krachtige ruimtetelescopen zoals de James Webb Space Telescope en WFIRST, die nog gevoeligere instrumenten zal hebben voor het oplossen van zwak intraclusterlicht in het verre heelal.

Trujillo wil de methode testen om de methode te verkleinen van massieve clusters van sterrenstelsels naar enkele sterrenstelsels. "Het zou fantastisch zijn om dit op galactische schalen te doen, bijvoorbeeld het verkennen van de stellaire halo's. In principe zou hetzelfde idee moeten werken; de sterren die de melkweg omringen als gevolg van de samensmeltende activiteit zouden ook het zwaartekrachtpotentieel van de melkweg moeten volgen, het verlichten van de locatie en distributie van donkere materie."

Het Hubble Frontier Fields-programma was een diepgaande beeldvormingsinitiatief ontworpen om het natuurlijke vergrootglas van de zwaartekracht van clusters van sterrenstelsels te gebruiken om de extreem verre sterrenstelsels daarachter te zien, en daarmee inzicht te krijgen in het vroege (verre) heelal en de evolutie van sterrenstelsels sinds die tijd. In dat onderzoek was het diffuse intraclusterlicht een ergernis, de verre sterrenstelsels daarbuiten gedeeltelijk verduisteren. Echter, die zwakke gloed zou uiteindelijk een aanzienlijk licht kunnen werpen op een van de grootste mysteries van de astronomie:de aard van donkere materie.