Þræðir hulduefnis kannaðir í þrívídd í fyrsta sinn

Sævar Helgi Bragason 16. okt. 2012 Fréttir

Í fyrsta sinn hafa stjörnufræðingar nú kannað heljarmikla hulduefnisþræði í þrívídd og notað til þess gögn frá Hubblessjónauka NASA/ESA.

  • hulduefni, vetrarbrautir, vetrarbrautaþyrping

Í fyrsta sinn hafa stjörnufræðingar nú kannað heljarmikla hulduefnisþræði í þrívídd og notað til þess gögn frá Hubblessjónauka NASA/ESA. Þræðirnir teygja sig um 60 milljón ljósár frá einni þyngstu vetrarbrautaþyrpingu sem þekkt er. Hann er hluti af geysimiklum vef sem myndar það sem kallað er stórgerð alheims — leifar hinna fyrstu andartaka eftir Miklahvell. Ef hinn mikli massi hulduefnisþráðarins er til marks um gerð alheims, er ríflega helmingur af öllum massa í alheimi í viðlíka fyrirbærum.

Kenningin um Miklahvell spáir fyrir um að flökkt í þéttleika efnis á hinum fyrstu andartökum alheims, valdi því að meirihluti efnis í alheimi þéttist í vef samhangandi efnisþráða. Þetta er stutt tölvulíkönum af þróun alheims sem spá fyrir um að á stórum kvarða sé alheimurinn eins og vefur mikilla þráða og þar sem þeir krossleggjast eru vetrarbrautarþyrpingar. Þótt þræðirnir séu ógurlega stórir eru þeir að megninu til hulduefni og því er óhemju erfitt að finna þá.

Fyrr í ár var uppgötvun hluta slíks þráðar staðfestur með sannfærandi hætti [1]. Hópur stjörnufræðinga hefur teygt sig enn lengra með könnun hulduefnisþráðar í þremur víddum. Með því að kanna slíkt fyrirbæri í þrívídd, má komast hjá mörgum ruglanda sem gjarnan hefst af könnun tvívíðra mynda.

„Þræðir í alheimsvefnum eru gríðarlangir og þunnir svo örðugt er að kanna þá, sérstaklega í þrívídd,“ segir Mathilde Jauzac (LAM í Frakklandi og University of KwaZulu-Natal í Suður Afríku), sem leiðir rannsóknina.

Hópurinn skeytti saman háskerpumyndum af svæðunum umhverfis vetrarbrautarbrautaþyrpinguna MACS J0717.5+3745 (eða MACS J0717) sem teknar voru með Hubblessjónaukanum, japanska Subaru sjónaukanum og fransk-kanadíska sjónaukanum á Hawaii (CFHT), við litrófsgögn frá vetrarbrautunum í þyrpingunni frá Keck og Gemini sjónaukunum. Greining þessara athugana veitir heildstæða sýn á gerð þráðarins þar sem hann teygir sig út frá vetrarbrautaþyrpingunni hér um bil í stefnu sjónlínu okkar.

Aðferð teymisins við könnun þessa mikla en dreifða þráðar, tengir saman nokkur lykilatriði.

Í fyrsta lagi: Vænlegt viðfang. Af kenningum um þróun alheims má ráða að vetrarbrautaþyrpingar myndist þar sem þræðir í alheimsvefnum mætast. Þar renna þeir saman í þyrpingar.„Vegna eldri athugana okkar á MACS J0717, vissum við að þyrpingin er í örum vexti og því kjörið rannsóknarefni í þessu samhengi,“ útskýrir Harald Ebeling (University of Hawaii) meðhöfundur greinarinnar, sem leiddi hópinn sem fann MACS J0717 fyrir um áratug síðan.

Í öðru lagi: Þróuð þyngdarlinsutækni. Hin fræga almenna afstæðiskenning Alberts Einstein kveður á um að brautir ljóss sveigja nálægt massamiklum fyrirbærum. Miklir þræðir í alheimsvefnum, sem að stærstu leyti eru byggðir úr hulduefni sjást ekki með beinum hætti en massi þeirra er nægjanlegur til að sveigja og bjaga ljós frá fjarlægum vetrarbrautum í bakgrunni. Slíkt köllum við þyngdarlinsuhrif. Hópurinn hefur þróað ný tól sem breyta bjöguðum myndum í kort.

Í þriðja lagi: Háskerpumyndir. Þyngdarlinsuhrif eru lúmsk og könnun þeirra krefjast nákvæmra mynda. Athuganir Hubbles veita hópnum færi á að rannsaka með nákvæmum hætti bjaganir á myndum af fjölmörgum vetrarbrautum. Þetta mun á móti afhjúpa hvar hulduefnisþræðina er að finna. „Helsti vandinn, var að finna líkan að lögun vetrarbrautarþyrpingarinnar sem stemmdi vel við gögnin.“

Og í fjórða lagi: Mælingar á fjarlægðum og hreyfingu vetrarbrauta. Mælingar Hubbles á vetrarbrautaþyrpingunni veita okkur góða tvívíða yfirsýn en til að sjá lögun hulduefnisþráðarins í þrívídd er nauðsynlegt að gera frekari mælingar. Litmyndir [3] ásamt mælingum á hraða vetrarbrauta úr litrófsritum [4], með gögnum úr Subaru, CFHT, Keck og Gemini norður sjónaukum (allir á Mauna Kea á Hawaii), gerði hópnum kleift að staðsetja þúsundir vetrarbrauta innan þráðarins og mæla hreyfingar margra þeirra.

Með því að taka saman upplýsingar um staðsetningu og hraða allra vetrarbrautanna, mátti smíða líkan sem afhjúpaði þrívíða gerð og afstöðu hulduefnisþráðarins. Þannig mátti meta eiginleika þessa, laust við óvissu og kerfisbundnar skekkjur sem koma ef aðeins tvívíð mynd er dregin upp, sem títt er í rannsóknum sem þessum.

Niðurstöðurnar reyna á kenningar og töluleg reiknilíkön af alheimsvefnum. MACS J0717 þráðurinn er stór, jafnvel á stjarnfræðilegan mælikvarða, enda 60 milljón ljósára langur. Ef massi þráðarins, sem hópurinn mældi, er til marks um aðra sambærilega þræði nálægt masamiklum vetrarbrautaþyrpingum, gætu þessir hnútar í alheimsvefnum geymt meiri massa (í formi hulduefnis) en kennismiðir hafa áður spá. Svo mikið jafnvel að ríflega helmingur alls massa í alhiminum gætu verið faldir í þessum formum.

James Webb geimsjónauki NASA/ESA/CSA, sem til stendur að skjóta á loft 2018, verður öflugt tól til rannsókna á hulduefnisþráðum í alheimsvefnum, þökk sé aukinni nákvæmni hans.

Skýringar

[1] Fyrst var tilkynnt um fund hulduefnisþráða í greininni „ A filament of dark matter between two clusters of galaxies “ eftir J. Dietrich et al., sem birtist í Nature, 4 júlí 2012.

[2] Hulduefni, sem telur um þrjá fjórðu alls efnis í alheimi, sést ekki með nokkru móti enda sendir það hvorki frá sér, né speglar ljósi og gengur gegnum annað efni án núnings (það rekst ekki á). Það víxlverkar aðeins við þyngdarkraftinn og tilvist þess verður að ráða af þyngdarhrifum þess á umhverfið. Til að mynda hefur það áhrif á snúningshraða vetrarbrauta og möguleika þess til að sveigja ljós í samhengi við almennu afstæðiskenninguna.

[3] Ljós sem sjónaukar fanga geyma upplýsingar um fyrirbærið sem sendi það frá sér. Gott er að geta skoðað rauðvik fyrirbæris (hve mikið ljósið hefur roðnað vegna útþenslu alheimsins), sem nota má til að mæla fjarlægðir. Þótt fjarlægðarnákvæmnin sé takmörkuð er tæknin nokkuð einföld og gott er að nota hana á nokkrum fjölda vetrarbrauta. Jafnframt gengur hún á dauf fyrirbæri.

[4] Litrófsritar greina með nákvæmum hætti ljósið sem berst inn í hann. Hér veitti sá hluti vetrarbrautanna sem mældur var með litrófsritum, nákvæmar upplýsingar um hreyfingar fyrirbæranna í þræðinum.

Frekari upplýsingar

Hubblessjónaukinn er samstarfsverkefni NASA og ESA.

Í rannsóknarteyminu eru Mathilde Jauzac (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille í Frakklandi og University of KwaZulu-Natal í Suður Afríku), Eric Jullo (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille í Frakklandi og Jet Propulsion Laboratory í Bandaríkjunum), Jean-Paul Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille), Harald Ebeling (University of Hawaii), Alexie Leauthaud (University of Tokyo), Cheng-Jiun Ma (University of Hawaii), Marceau Limousin (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille og University of Copenhagen í Danmörku), Richard Massey (Durham University í Bretlandi) og Johan Richard (Lyon Observatory í Frkklandi)

Rannsóknargreinin nefnist „A Weak-Lensing Mass Reconstruction of the Large-Scale Filament Feeding the Massive Galaxy Cluster MACSJ0717.5+3745“, sem til stendur að birta 1. nóvember 2012 í Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Greinin verður netlæg í vikunni.

Tenglar

Tengiliður

Ottó Elíasson
Háskóla Íslands
Sími: 663-6867
Email: ottoel@stjornuskodun.is

Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESA/Hubble heic1215

Tengdar myndir

  • hulduefni, vetrarbrautir, vetrarbrautaþyrpingarÞessi gríðarstóra mynd sýnir hina gríðarstóru vetrarbrautaþyrpingu MACS J0717.5+3745. Myndin er svo stór því hún er samsett úr 18 ólíkum Hubble myndum. Með því einu að meta áhrif þyngdarinnar á ljós frá fjarlægum vetrarbrautum, gat hópur stjörnufræðinga sagt til um hulduefnisþráðinn sem teygir sig frá hjarta þyrpingarinnar. Hulduefnið er sýnt hér í bláum lit. Með viðbótarmælingum frá jarðbundnum sjónaukum má teikna upp þrívíða gerð hulduefnisþráðarins, en slíkt hefur aldrei áður verið gert. Greinilegt var að þráðurinn teygir sig aftur að kjarna þyrpingarinnar, svo við horfum meðfram honum. Mynd: NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii) & Jean-Paul Kneib (LAM)
  • hulduefni, vetrarbrautir, vetrarbrautaþyrpingarÞessi gríðarstóra mynd sýnir hina gríðarstóru vetrarbrautaþyrpingu MACS J0717.5+3745. Myndin er svo stór því hún er samsett úr 18 ólíkum Hubble myndum. Með því einu að meta áhrif þyngdarinnar á ljós frá fjarlægum vetrarbrautum, gat hópur stjörnufræðinga sagt til um hulduefnisþráðinn sem teygir sig frá hjarta þyrpingarinnar. Hulduefnið er sýnt hér í bláum lit. Þetta er nákvæmasta mynd sem við höfum að slíku fyrirbæri. Með viðbótarmælingum frá jarðbundnum sjónaukum má teikna upp þrívíða gerð hulduefnisþráðarins, en slíkt hefur aldrei áður verið gert. Mynd: NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (LAM)