Lehdistötiedote

Ensimmäisiä merkkejä itsensä kanssa vuorovaikuttavasta pimeästä aineesta?

Pimeä aine ei ehkä olekaan täysin pimeää

15. huhtikuuta 2015

Pimeän aineen on ensimmäistä kertaa havaittu mahdollisesti vuorovaikuttavan muun pimeän aineen kanssa muutoin kuin painovoiman välityksellä. ESO:n VLT-teleskoopilla ja NASA:n ja ESA:n Hubble-avaruusteleskoopilla törmäävistä galakseista tehdyt havainnot ovat taltioineet ensimmäiset kiehtovat merkit tämän, maailmankaikkeuden mystisen aineen luonteesta.

ESO:n, Chilessä sijaitsevan VLT-teleskoopin MUSE-havaintolaitetta sekä kiertoradalla olevan Hubble-avaruusteleskoopin kuvia käyttäen tähtitieteilijäryhmä on tutkinut neljän galaksin samanaikaista törmäystä galaksijoukossa Abell 3827. Ryhmä pystyi jäljittämään missä järjestelmän massa sijaitsee ja vertaamaan pimeän aineen jakaumaa valoa säteilevien galaksien sijainteihin.

Vaikka pimeää ainetta ei voi nähdä, tutkimusryhmä kykeni päättelemään sen sijainnin käyttämällä gravitaatiolinssi-ilmiöön perustuvaa tekniikkaa. Törmäys sattui tapahtumaan suoraan paljon etäisemmän, täysin erillisen kohteen edessä. Pimeän aineen massa törmäävien galaksien ympärillä vääristi huomattavasti aika-avaruutta, poikkeuttaen valonsäteiden kulkua etäisestä, taustan galaksista ja vääristäen sen kuvan tyypillisiksi kaarimuodoiksi.

Nykyisen ymmärtämyksemme mukaan kaikki galaksit sijaitsevat pimeän aineen möykkyjen sisällä. Ilman pimeän aineen painovoiman rajoittavaa vaikutusta Linnunradan kaltaiset galaksit sinkoaisivat itsensä hajalle pyöriessään. Tämän estämiseksi 85% maailmankaikkeuden massasta [1] täytyy olla pimeää ainetta ja silti sen todellinen luonne on yhä mysteeri.

Tässä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat neljää törmäävää galaksia ja huomasivat, että yksi pimeän aineen möykky näytti laahaavan sisällään olevan galaksin perässä. Pimeä aine on tällä hetkellä 5000 valovuotta (50 tuhatta miljoonaa miljoonaa kilometriä) galaksin jäljessä. NASA:n Voyager-avaruusluotaimelta kestäisi 90 miljoonaa vuotta matkustaa niin kauas.

Pimeän aineen ja siihen liittyvän galaksin välinen viive voidaan ennustaa törmäysten aikana, jos pimeä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa — edes hyvin vähäisesti — muiden voimien kuin painovoiman kautta [2]. Pimeän aineen ei ole milloinkaan ennen nähty vuorovaikuttavan millään muulla tavoin kuin painovoiman välityksellä.

Pääkirjoittaja, Durhamin yliopiston Richard Massey selittää: "Ajattelimme, että pimeä aine vain lojuu paikallaan, omissa ympyröissään, lukuunottamatta sen painovoiman aiheuttamaa vetovoimaa. Mutta jos pimeä aine hidastuisi tämän törmäyksen aikana, se olisi ensimmäinen todiste pimeän vyöhykkeen runsaalle fysiikalle — meitä joka puolella ympäröivälle piilottelevalle maailmankaikkeudelle."

Tutkijat huomauttavat, että lisätutkimuksia tarvitaan muista ilmiöistä, jotka saattavat myös aiheuttaa viiveen. Vastaavia havaintoja useammista galakseista ja galaksien törmäyksiä tutkivia tietokonesimulaatioita tarvitaan lisää.

Ryhmän jäsen, Minnesotan yliopiston Liliya Williams lisää: "Me tiedämme, että pimeää ainetta on olemassa, koska se vuorovaikuttaa painovoiman välityksellä, pitäen maailmankaikkeutta kasassa, mutta tiedämme yhä nolostuttavan vähän siitä, mitä pimeä aine oikeastaan on. Havaintomme antavat ymmärtää, että pimeä aine saattaa vuorovaikuttaa muiden voimien kuin painovoiman välityksellä, mikä tarkoittaa sitä, että saatamme voida jättää pois laskuista joitakin avainteorioita siitä, mitä pimeä aine saattaisi olla."

Tämä tulos seuraa hiljattain tehdystä tuloksesta tutkimusryhmältä, joka havaitsi 72 törmäystä galaksijoukkojen välillä [3] ja havaitsi, että pimeä aine vuorovaikuttaa hyvin vähän itsensä kanssa. Uusi tutkimus keskittyy kuitenkin yksittäisten galaksien liikkeisiin, galaksijoukkojen sijaan. Tutkijat sanovat, että näiden galaksien välinen törmäys olisi saattanut kestää kauemmin kuin aikaisemmassa tutkimuksessa havaitut törmäykset, mikä mahdollistaisi jopa pikkuruisen kitkavoiman vaikutusten kasvamisen ajan mittaan ja saisi aikaan mitattavan viiveen [4].

Yhdistettyinä nämä kaksi tulosta rajaavat pimeän aineen käyttäytymistä ensimmäistä kertaa. Pimeä aine vuorovaikuttaa tätä enemmän mutta tuota vähemmän. Massey lisää: "Olemme vihdoin hakeutumassa pimeään aineeseen päältä ja alta — puristaen tietämystämme kahdesta suunnasta."

Lisähuomiot

[1] Tähtitieteilijät ovat havainneet, että maailmankaikkeuden kokonaismassan ja -energian määrä jakaantuu osuuksiin: 68% pimeää energiaa, 27% pimeää ainetta ja 5% "normaalia" ainetta. Siten 85% osuus viittaa "aineen" määrään, joka on pimeää.

[2] Tietokonesimulaatiot osoittavat, että törmäyksen ylimääräinen kitka saisi pimeän aineen hidastumaan. Tämän vuorovaikutuksen luonne on tuntematon; se saattaisi olla seurausta hyvin tunnetuista ilmiöistä tai jostakin eksoottisesta, tuntemattomasta voimasta. Kaikki mitä tässä vaiheessa voidaan sanoa on, että kyse ei ole painovoimasta.

Kaikki neljä galaksia olisivat saattaneet irtaantua pimeästä aineestaan. Meillä sattuu kuitenkin olemaan oikein hyviä mittauksia vain yhdestä galaksista, sillä se on linjautunut sattumalta niin hyvin painovoimalinssin muovaavan taustan kohteen kanssa. Linssiytyneet kuvat ovat etäämpänä muiden kolmen galaksin suhteen, joten niiden pimeän aineen sijainnin rajoitteet ovat liian löyhiä tilastollisesti merkittävien johtopäätösten tekemiseen.

[3] Galaksijoukoissa on jopa tuhat yksittäistä galaksia.

[4] Tuloksen pääasiallinen epäselvyys on törmäyksen aikaväli: pimeää ainetta hidastanut kitka olisi saattanut olla hyvin heikko voima, joka on toiminut yli miljardin vuoden ajan, tai suhteellisen vahva voima, joka on toiminut "vain" 100 miljoonaa vuotta.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tutkimusjulkaisussa "The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827”, joka ilmestyy julkaisusarjassa Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 15. huhtikuuta 2015.

Tutkimusryhmään kuuluvat R. Massey (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Iso-Britannia), L. Williams (School of Physics & Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA), R. Smit (Institute for Computational Cosmology, Iso-Britannia), M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, Iso-Britannia), T. D. Kitching (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Dorking, Surrey, Iso-Britannia), D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny, Versoix, Sveitsi), H. Israel (Institute for Computational Cosmology, Iso-Britannia), M. Jauzac (Institute for Computational Cosmology, Iso-Britannia; Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban, Etelä-Afrikka), D. Clowe (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), A. Edge (Department of Physics, Durham University, Durham, Iso-Britannia), M. Hilton (Astrophysics and Cosmology Research Unit, Etelä-Afrikka), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Marseille, Ranska), A. Leonard (University College London, Lontoo, Iso-Britannia), J. Liesenborgs (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Ranska), J. Merten (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA; California Institute of Technology, Pasadena, California, USA), I. Mohammed (Physik-Institüt, University of Zürich, Zürich, Sveitsi), D. Nagai (Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut, USA), J. Richard (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Ranska), A. Robertson (Institute for Computational Cosmology, Iso-Britannia), P. Saha (Physik-Institüt, Sveitsi), J. Stott (Department of Physics, Durham, Iso-Britannia) ja E. Tittley (Royal Observatory, Edinburgh, Iso-Britannia).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista E-ELT -teleskooppia (European Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

Richard Massey
Institute for Computational Cosmology
Durham University, United Kingdom
Puh.: +44 (0) 7740 648080
Sähköposti: r.j.massey@durham.ac.uk

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media