Nieuwe waarnemingen wijzen op gaten in de huidige donkere materie theorieën
De grote massa van een cluster van sterrenstelsels weerkaatst licht van achtergrondobjecten. Dit fenomeen staat bekend als zwaartekrachtslenzen. De grootschalige zwaartekrachtslens die door het hele cluster wordt veroorzaakt kan worden verandert door kleinschalige massaconcentraties, zoals individuele sterrenstelsels, binnen het clusters. Een team astronomen heeft met behulp van de Hubble Space Telescope en de Very Large Telescope van de ESO deze kleinschalige zwaartekrachtslenzen in elf clusters van sterrenstelsels onderzocht. Ze hebben lenzen gevonden die een orde van grootte kleiner waren dan zou worden verwacht op grond van kosmologische simulaties en ze concludeerden dat er een onbekend probleem is met de heersende simulatiemethodes of met de standaard kosmologie.
Clusters van sterrenstelsels zijn ideale laboratoria om te onderzoeken of de numerieke simulaties van het heelal die momenteel beschikbaar zijn goed reproduceren wat we kunnen afleiden uit gravitatielenzen.
De gegevens in deze studie zijn uitermate goed getest en de onderzoekers zijn er zeker van dat de discrepantie tussen de modellen en de waarnemingen erop wijst dat een of ander fysiek ingrediënt ontbreekt in de simulaties of in het begrip van de aard van donkere materie.
Er is een kenmerk van het echte heelal dat momenteel niet is vast te leggen met de huidige theoretische modellen, aldus de onderzoekers.
Aangezien de voortreffelijke gegevens de onderzoekers in staat hebben gesteld om de gedetailleerde verdeling van donkere materie op de kleinste schaal te onderzoeken zou dit kunnen duiden op een lacune in ons huidige begrip van de aard van donkere materie en zijn eigenschappen.
Hubble-afbeeldingen, gecombineerd met spectra van de VLT hielpen de onderzoekers om nauwkeurige donkere materiekaarten te maken van de 11 clusters van sterrenstelsels waaronder MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 en Abell S1063.
Tot hun verrassing vonden de astronomen, naast de dramatische bogen en langwerpige kenmerken van verre melkwegstelsels geproduceerd door de zwaartekrachtlensing van elke cluster, ook een onverwacht aantal kleinschalige bogen en vervormde beelden genesteld nabij de kern van elke cluster waar de meest massieve sterrenstelsels zich bevinden.
Ze geloven dat de geneste lenzen worden geproduceerd door de zwaartekracht van dichte concentraties materie in de individuele clusterstelsels.
Follow-up spectroscopische waarnemingen maten de snelheid van de sterren die in een baan in verschillende van de clusterstelsels cirkelden om zo hun massa vast te stellen.
De gegevens van de Hubble en de VLT leverden een uitstekende synergie op, aldus de onderzoekers. Men was in staat om de sterrenstelsels met elke cluster te associëren en hun afstanden te schatten.
De snelheid van de sterren gaf de astronomen een schatting van de massa van elk sterrenstelsel, inclusief de hoeveelheid donkere materie.
De wetenschappers vergeleken hun kaarten van donkere materie met monsters van gesimuleerde clusters van sterrenstelsels met vergelijkbare massa’s op ongeveer dezelfde afstanden als de waargenomen clusters.
De clusters in de computersimulaties vertoonden niet dezelfde concentratie van donkere materie op de kleinste schaal.
De resultaten van deze analyses laten verder zien hoe waarnemingen en numerieke simulaties hand in hand gaan. Met geavanceerde kosmologische simulaties kunnen astronomen de kwaliteit van de waarnemingen die in het onderzoeksartikel zijn geanalyseerd evenaren waardoor er gedetailleerde vergelijkingen mogelijk zijn die eerder niet mogelijk waren.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Artikel: Massimo Meneghetti et al. 2020. An excess of small-scale gravitational lenses observed in galaxy clusters. Science 369 (6509): 1347-1351; doi: 10.1126/science.aax5164
Eerste publicatie: 16 september 2020
Bron: diverse persberichten, Sci-News
