GalaxiiCa de fiecare dată, şi astăzi puteţi citi un articol ştiinţific care pretinde că poate prezenta „cea mai bună imagine a materiei întunecate" de până acum. Dacă aceasta este atât de întunecată, atunci cum putem să o vedem? În acest articol vom afla cum putem face asta.

 

 

 

Voi răspunde la o întrebare care mi-a fost adresată de către Charlie Jane Anders: „Sunt interesată de galaxiile ce au nuclee formate din materie întunecată şi despre cum putem „vedea" materia întunecată."

Materia întunecată se află peste tot. În conformitate cu cel mai bun model cosmologic pe care îl avem în prezent ea reprezintă aproximativ 25% din energia din Univers, de aproape cinci ori mai mult decât se află în materia compusă din atomii obişnuiţi şi din care tu, eu, Soarele şi Pământul suntem formaţi. Materia întunecată se află peste tot în jurul nostru, dar ea este ascunsă privirii noastre.

Materia întunecată este atât de greu de observat deoarece (prin definiţie) ea nu emite nicio formă de lumină. Cu toate acestea, Fritz Zwicky a observat în anii 1930 că nu există o masă suficientă care să poată să ţină împreună roiurile galactice în raport cu cât de repede galaxiile, aflate în interiorul acestora, se rotesc în jurul lor.

Dar există un drum lung de parcurs de la presupunerea privind existenţa materiei întunecate şi realizarea unei hărţi ce să prezinte distribuţia sa şi pentru aceasta noi trebuie să înţelegem cu adevărat cum funcţionează gravitaţia. Trebuie să vă avertizez de la început că prezentarea va deveni mai dificilă, dar dacă veţi reuşi să mă urmăriţi veţi fi recompensaţi cu câteva poze destul de frumoase către finalul articolului.


Relativitatea generală este suficientă

Permiteţi-mi să vă spun doar trei lucruri despre modul în care lumina şi gravitaţia acţionează împreună. De fapt, am de gând să spun un singur lucru, dar o să-l prezint în trei moduri diferite, în care complexitatea acestuia va creşte. Aveţi toată libertatea de a vi-l alege pe cel pe care îl preferaţi.

1. Gravitaţia curbează razele de lumină. Lumina este compusă din particule şi atunci când, de pildă, trece pe lângă un roi de galaxii, razele de lumină se curbează uşor spre el, similar modului în care se comportă o cometă care ar trece pe lângă o planetă. Roiurile galactice sunt mari, acestea pot conţine sute sau chiar mii de galaxii individuale, astfel încât câmpul gravitaţional al acestora este destul de puternic.

2. Corpurile masive deformează într-adevăr spaţiul-timp şi lumina urmează cel mai scurt drum posibil

 

Spatiu si materie


Aţi remarcat, probabil, că în imaginea de mai sus spaţiul-timp este imaginat sub forma unei foi mari din cauciuc care are o bilă în mijlocul ei. Stelele, planetele şi orice altceva, inclusiv lumina, parcurg o traiectorie pe această foaie distorsionată în cel mai simplu mod posibil, ocazional acestea putându-se deplasa şi pe traiectorii mai complicate.

Eu nu sunt tocmai entuziasmat de această explicaţie, deoarece, în realitate, îndoirea componentei timp a spaţiului-timp este la fel de importantă ca şi cea a componentei spaţiu, iar în imaginea de mai sus aceasta nu este arătată.

3. Lumina preferă să urmeze traiectoria cu viteza cea mai mare.

Conform teoriei relativităţii generale, timpul se scurge mai lent în apropierea obiectelor masive în comparaţie cu zonele din spaţiu în care nu se află corpuri având o masă mare. Deci, dacă un foton inteligent ar dori, să zicem, să ajungă la noi de la o galaxie îndepărtată şi în calea căruia se află un roi galactic masiv, atunci s-ar justifica ca acesta să facă un mic ocol în loc să parcurgă calea dreaptă. Chiar dacă lumina se deplasează mereu cu o viteză constantă, în cazul în care timpul încetineşte la nivel local atunci luminii îi va lua mai mult timp (din punctul de vedere al unor oameni aflaţi foarte departe) pentru a parcurge aceeaşi distanţă. Dacă se apropie prea mult de roiul galactic, atunci timpul încetineşte suficient de mult pentru a influenţa durata călătoriei. În schimb, un ocol prea mare ar însemna ca distanţa reală parcursă în timpul călătoriei să devină prea mare. Există o traiectorie curbată, aflată între aceste două cazuri limită, care este ideală pentru călătorie.

În realitate pot exista mai multe traiectorii posibile pentru lumină. Acest lucru se întâmplă în cazul unor situaţii extreme şi fenomenul este cunoscut sub numele de „lentilă gravitaţional puternică". Nu am de gând să vă vorbesc despre acest subiect azi, dar este bine să reţineţi că în acest caz se vor obţine mai multe imagini ale unei singure galaxii.

Toate acestea au fost cunoscute şi dovedite acum 90 de ani, atunci când Sir Arthur Eddington a observat o schimbare aparentă de poziţie a unei stele în timpul eclipsei de Soare din anul 1919. Cu această ocazie s-a observat că lumina ce provenea de la o stea, a cărei poziţie pe cer era cunoscută, a fost deviată în apropierea Soarelui. Această diferenţă aparentă de poziţie, de aproximativ 1% din valoarea unghiul ce a putut fi măsurat cu ochiul liber, a reprezentat o victorie mare pentru Einstein.

Cu alte cuvinte, relativitatea generală pare a permite estimarea devierii razelor de lumină.


Efectul de lentilă gravitaţională

Concluzia importantă ce rezultă din această constatare este că toate tipurile de materie, materia întunecată sau materia obişnuită, creează un câmp gravitaţional ce determină devierea razelor de lumină. În ceea ce priveşte materia obişnuită noi suntem capabili de a observa efectele ei în mod direct (deoarece aceasta emite sau absoarbe lumina), dar cât priveşte materia întunecată nu suntem atât de norocoşi. Cu toate acestea, pentru a „vedea" materia întunecată putem folosi o tehnică de observaţie denumită lentila gravitaţională.

Iată ce putem face: voi împreună cu telescopul vă aflaţi undeva aici pe Pământ (sau pe o orbită din apropiere sa), iar obiectul pe care doriţi să-l observaţi, de exemplu un grup de galaxii, se află undeva foarte departe în spaţiu şi există, de asemenea, o mulţime de galaxii îndepărtate ce se află în spatele acestuia. Tocmai aceste galaxii îndepărtate ne vor ajuta să studiem efectele produse de materia întunecată.

Aici este vorba despre anumite condiţii favorabile ce ne pot ajuta. Spre deosebire de Eddington, care a beneficiat de apariţia unei eclipse solare, noi nu trebuie să aşteptăm un asemenea eveniment care are loc destul de rar. Galaxiile şi roiurile de galaxii se deplasează foarte, foarte încet şi chiar dacă lumina de la galaxii este deviată, noi nu avem nicio informaţie asupra poziţiei lor dacă nu ar exista un roi galactic cu o mare influenţă gravitaţională în calea ei.

Razele de lumină ce provin de la o galaxie din fundal, în raport cu roiul galactic, vor fi deviate într-un mod diferit faţă de lumina care provine de pe partea cealaltă a roiului. Cu cât lumina trece mai aproape de roi, cu atât mai mult va fi deviată, iar cu cât trece mai departe, cu atât mai puţin va fi deviată. Acest lucru modifică imaginea galaxiilor pe care o observăm. Cu alte cuvinte, galaxia observată va avea o formă eliptică în loc de a avea o formă circulară. Cu cât imaginea galaxiei este mai eliptică, cu atât este mai puternic câmpul gravitaţional şi aspectul interesant este că acest efect va face ca imaginile acestor galaxii să aibă tendinţa de a se alinia şi de a forma un inel în jurul zonelor din cluster unde există o masă mare.

Efectul este, de obicei, destul de mic (mai puţin de 1% pentru majoritatea imaginilor, deşi efectul poate fi mult mai mare pentru imaginile obţinute dintr-o poziţie potrivită), astfel încât aveţi nevoie, în medie, de câteva sute de imagini pentru ca să puteţi realiza o hartă bună, dar, din fericire, există o de mulţime de galaxii undeva acolo pe care le putem studia.

Abell 1689

Să mergem mai departe şi să privim imaginea de mai sus. Acesta este un roi galactic ce conţine foarte multe galaxii, denumit Abell 1689. Puteţi observa câteva lucruri importante. În primul rând, dacă vă uitaţi foarte atent veţi vedea că există o mulţime de galaxii neclare care sunt întinse în forma unor linii şi că toate acestea par să formeze un halou în jurul roiului (cele mai mari şi mai luminoase galaxii se află în mijloc). De asemenea, există sute de alte galaxii care ar fi dificil de detectat cu ochiul, dar care pot fi evidenţiate destul de uşor cu ajutorul unui program de calculator.

Zonele neclare din imagine au fost obţinute printr-un proces de reconstrucţie a imaginii în care masa este dedusă prin aplicarea metodei lentilei gravitaţionale. Notă importantă: nu se observă aceste zone prin telescop. Ele au fost deduse pe baza modului în care sunt distorsionate galaxiile din fundal. Din acest motiv spunem că „vedem" materia întunecată şi folosim ghilimele în acest scop. Cineva ar putea spune că din moment ce aceasta este o reconstrucţie, nu contează. Vreau să subliniez că harta pe care am obţinut-o nu este lipsită de importanţă, indiferent cum te uiţi la ea. Amintiţi-vă că atunci când facem reconstrucţia noi nu ne uităm la galaxiile din cadrul roiului. Cu toate acestea, există o mulţime de materie ce corespunde fiecăreia dintre ele.

Nu este surprinzător că materia întunecată se concentrează în mijlocul roiului de galaxii. Acesta este nucleul materiei întunecate despre care Charlie Jane a întrebat. Veţi observa că o mare parte din masă este aliniată cu cele mai mari şi mai luminoase galaxii (în culoare aurie). Asta nu este o surpriză. Ce este o surpriză este că există o mulţime de regiuni care par să conţină puţine galaxii sau chiar nu conţin galaxii, dar care, de asemenea, au o mare cantitate de materie.

Bullet cluster
Credit: NASA/CXC/STSci/CfA M.Markevitch et al., D. Clowe et al.

Aceste hărţi pot fi realizate pentru tot felul de sisteme cosmice. Probabil cel mai faimos dintre ele este un sistem poreclit „Cluster Bullet" care este format, în principiu, din două roiuri care s-au ciocnit relativ recent (la nivelul intervalului de timp cosmic). Gazele fierbinţi (în culoarea roz) au fost aruncate în afară, dar materia întunecată din cele două clustere (în culoarea albastru) se pare că tocmai a trecut prin ele. Deoarece marea majoritate a materiei obişnuite este sub formă de gaz, pare ciudat că gazul şi masa par a nu se alinia între ele.

Imagine 3D


Acest efect nu este observat doar în cazul clusterelor galactice. Prietenul meu, Richard Massey şi colaboratorii săi au realizat această imagine 3D a materiei întunecate dintr-o zonă a Universului analizând o mulţime de imagini de fundal obţinute de la distanţe diferite. Este vorba de aceeaşi idee de bază ca în cazul măsurării roiurilor galactice. În acest caz ei au măsurat forma a numeroase galaxii mici aflate în fundal.

Întrebare bonus: de unde ştim că materia întunecată nu este reprezentată de către găurile negre?

Aş dori să închei cu o mini-întrebare bonus care este strâns legată de subiectul de faţă: de unde ştim că materia întunecată nu este reprezentată de găurile negre?

Putem utiliza tehnica lentilei gravitaţionale la un nivel local, în galaxia noastră, precum şi în cadrul întregului Univers. Deşi este adevărat că găurile negre nu pot fi observate în mod direct, ele au câmpuri gravitaţionale puternice. Să presupunem că ar fi suficient de multe stele având dimensiunea unei găuri negre în galaxia noastră (în afară de o stea gigant aflată în mijloc) pentru a compensa întreaga masă care lipseşte din observaţiile astronomice. Din când în când, de fapt destul de des, o gaură neagră va trece prin faţa unei stele din fundal. Acest lucru s-ar produce ca şi cum o lupă care măreşte ar trece prin faţa Soarelui. Pentru câteva zile (sau săptămâni) steaua va apare mai luminoasă şi apoi va reveni la luminozitatea anterioară într-un model previzibil. Aceste evenimente de tip „microlentilă" sunt destul de rare, dar ele se produc. Tot ce trebuie făcut este să monitorizăm milioane de stele şi să aşteptăm pentru când una dintre ele va lumina mai puternic.

În cadrul proiectelor de cercetare OGLE (n.tr. - Optical Gravitational Lensing Experiment) şi MACHO (n.tr. - Massive compact halo object) s-a observat că în galaxia noastră nu există un roi gigant de găuri negre care să poată reprezenta masa care lipseşte din galaxie.

În concluzie, încă nu cunoaştem ce este materia întunecată, dar cel puţin avem o idee unde se află aceasta.



Traducere de Cristian-George Podariu după how-do-we-see-dark-matter.