10 Minute
Descoperire: cea mai mică lentilă gravitațională întunecată găsită până acum
O echipă multinațională de astronomi a identificat obiectul întunecat cu cea mai mică masă detectat vreodată prin lentilă gravitațională. Folosind o rețea globală de telescoape radio, cercetătorii au observat o distorsiune subtilă — un mic "ciupitură" — în imaginea lăsată în urmă de o galaxie îndepărtată. Din acea distorsiune au dedus existența unei mase invizibile de aproximativ un milion de ori masa Soarelui. Rezultatele au fost publicate în două articole pe 9 octombrie în Nature Astronomy și în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Fiindcă obiectul nu emite lumină sau radiație detectabilă, astronomii l-au localizat studiind modul în care a schimbat traseul luminii provenite din galaxia de fundal. Lentele gravitaționale apar atunci când masa curbează spațiu-timpul și abate lumina; prin modelarea precisă a tiparului de lentilă, oamenii de știință pot estima masa, dimensiunea și poziția unor structuri invizibile.
Inelul negru și punctul central arată imaginea în infraroșu a unei galaxii îndepărtate distorsionată de o lentilă gravitațională. Portocaliul/roșul indică undele radio provenite de la același obiect. Inserția arată o ciupitură cauzată de o altă lentilă gravitațională mult mai mică și întunecată (bulă albă).
„Este o realizare impresionantă să detectezi un obiect atât de mic la o distanță atât de mare de noi,” a spus Chris Fassnacht, profesor în Departamentul de Fizică și Astronomie la University of California, Davis și coautor al unuia dintre articole. „Găsirea unor obiecte cu masă mică, precum acesta, este esențială pentru a înțelege natura materiei întunecate.”
Cum a fost realizată observația
Echipa a combinat date radio de înaltă rezoluție provenite de la mai multe instalații majore pentru a funcționa ca un interferometru de dimensiunea Pământului. Instrumentele cheie au inclus Green Bank Telescope (GBT) din West Virginia, Very Long Baseline Array (VLBA) din Hawaiʻi și European VLBI Network (EVN), care leagă antene radio din Europa, Asia, Africa de Sud și Puerto Rico. Prin corelarea semnalelor între aceste telescoape, astronomii au obținut rezoluția unghiulară necesară pentru a detecta anomalii minute în imaginile luminate de lentilă.
Tehnic, această abordare se bazează pe tehnici de VLBI (Very Long Baseline Interferometry) care permit măsurători cu rezoluție de ordinul microarcsecundelor la anumite frecvențe. Rezoluția ridicată este esențială pentru a separa efectele lentei principale, produse de o galaxie sau un cluster masiv, de perturbările locale produse de clustere de materia întunecată sau galaxii pitice. Corelarea datelor necesită sincronizare foarte precisă, calibrare a fazei și modelare avansată a câmpurilor de antene pentru a elimina zgomotul și erorile sistematice.
Lentila gravitațională ca sondă a masei invizibile
Când o galaxie sau un roi masiv aflat în prim-plan acționează ca lentilă pentru o sursă mai îndepărtată, de obicei apar arce, inele sau imagini multiple ale sursei. Mase mici și compacte de-a lungul traseului luminii — fie aglomerări de materie întunecată, fie galaxii foarte mici — provoacă modificări localizate ale mărimii, formei și magnitudinii acelor imagini. Obiectul raportat recent s-a manifestat doar ca o „ciupitură” localizată în emisia radio lăsată în urmă de lentilă, indicând o masă extrem de compactă care altfel ar fi fost nedetectabilă prin observații optice directe.
Folosirea undelor radio ca sondă prezintă avantaje clare: emisia radio provine de obicei din regiunile active sau jeturi ale galaxiei de fundal și pătrunde prin mediul intergalactic fără a fi la fel de afectată de praf sau de absorbție ca lumina optică. În plus, modelele de lentilă construite pe baza datelor radio permit detectarea deviațiilor foarte subtile în distribuția fluxului, care pot indica prezența subhalourilor de materie întunecată sau a corpilor compacti cu emisivitate scăzută.
Natura și implicațiile obiectului cu masa unui milion de sori
Masa dedusă din anomalia de lentilă este de aproximativ 1 × 10^6 mase solare. Această scară se situează între clusterele globulare tipice și galaxiile pitice de dimensiuni foarte reduse. Două interpretări principale sunt luate în considerare:
- Un subhalou compact de materie întunecată — o aglomerare densă de materie întunecată cu puține sau deloc stele. Detectarea unor astfel de aglomerări ar susține predicțiile modelelor de materie întunecată rece (CDM), conform cărora structura cosmică se formează ierarhic, până la mase foarte mici.
- O galaxie pitică ultra-compactă, „adormentată”, care conține puține sau niciun stea activă și, prin urmare, rămâne practic invizibilă în lungimile de undă optice.
Autorul principal Devon Powell de la Max Planck Institute for Astrophysics a remarcat: „Având în vedere sensibilitatea datelor noastre, așteptam să găsim cel puțin un obiect întunecat, astfel că descoperirea este consistentă cu așa-numita teorie a materiei întunecate reci, pe care se bazează mare parte din înțelegerea noastră a modului în care se formează galaxiile. Acum, întrebarea este dacă putem găsi mai multe și dacă numerele vor rămâne în acord cu modelele.”
Identificarea unor clustere fără stele de materie întunecată ar impune constrângeri puternice asupra modelelor alternative ale materiei întunecate (de exemplu, materie întunecată caldă sau auto-interacționantă) care suprimă formarea de structuri la scară mică. În mod contrar, dacă multe astfel de obiecte se dovedesc a fi galaxii foarte slabe în care există încă stele, chiar dacă rare, atunci estimările privind numărul galaxiilor cu masă mică și cu luminozitate redusă pe parcursul istoriei cosmice vor trebui revizuite.
Din punct de vedere al funcției de masă a subhalourilor (subhalo mass function), o detecție robustă la ~10^6 M☉ oferă un punct important în intervalul masa-mic. Modelele CDM prezic un număr mare de subhalouri la aceste mase, dar observațiile directe sunt limitate de sensibilitatea instrumentelor tradiționale și de proprietățile de formare a stelelor în acele sisteme. Observațiile prin lentilă gravitațională permit testarea directă a prezicerilor teoretice fără a depinde de prezența stelelor drept marcatori.
Echipă, metode și căutări viitoare
Analiza a combinat modelare precisă a lentilei cu tehnici de interferometrie cu bază foarte lungă. Alți contributori includ John McKean (University of Groningen, South African Radio Observatory și University of Pretoria), Simona Vegetti (Max Planck Institute for Astrophysics), Cristiana Spingola (Istituto di Radioastronomia, Bologna) și Simon D. M. White (Max Planck Institute for Astrophysics). Finanțarea și sprijinul instituțional au venit de la European Research Council, Ministerul Afacerilor Externe și Cooperării Internaționale al Italiei, National Research Foundation din Africa de Sud și facilități precum National Radio Astronomy Observatory.
Metodologic, echipa a folosit inversii de imagine și optimizări bayesiene pentru a separa modelul de lentilă principală de perturbațiile locale. S-au testat mai multe parametrizări ale potențialului gravitațional și ale profilului de masă ale subhalourilor (de exemplu, profile NFW, profile Plummer sau power-law), iar robustețea detecției a fost evaluată prin simulări Monte Carlo și analize de sensibilitate. Un aspect esențial a fost verificarea faptului că semnalul nu poate fi explicat prin erori de calibrare, variabilitate intrinsecă a sursei sau microlensing stelar.
Cu această metodă, cercetătorii plănuiesc să scaneze sisteme adiționale de lentile forte pentru a măsura abundența și distribuția masei obiectelor compacte similare. Pe măsură ce eșantionul statistic se extinde, oamenii de știință vor putea compara numerele observate cu predicțiile teoretice și fie consolida, fie contesta paradigmele dominante privind materia întunecată.
Acțiunile viitoare includ campanii de urmărire la frecvențe radio multiple pentru a testa dependența spectrală a anomaliilor, observații în infraroșu profunde pentru a căuta orice semnal stelar rezidual, și simulări cosmologice de înaltă rezoluție pentru a estima probabilitatea apariției unor subhalouri cu aceste caracteristici. De asemenea, combinația cu date optice și spectroscopie poate oferi limitări suplimentare asupra redshift-ului și a mediului înconjurător al lentilei principale.
Expertiză și perspectivă
Dr. Amina Torres, o cosmologă observațională la Institute for Theoretical Astrophysics (comentariu ficțional), a comentat: „Această detecție demonstrează puterea combinării rețelelor radio globale cu o modelare atentă a lentilelor. Indiferent dacă obiectul este un subhalou întunecat pur sau o galaxie pitică aproape întunecată, fiecare detecție ne informează asupra structurii la scară mică a Universului. Repetarea acestei analize pe multe lentile va fi decisivă pentru testarea teoriilor concurente despre materia întunecată.”
Perspectivele experților subliniază câteva puncte cheie: (1) importanța arhitecturilor globale de interferometrie VLBI pentru astrofizica observațională de vârf, (2) necesitatea unor modele teoretice mai detaliate care să includă efecte baryonice la mase mici, și (3) valoarea unor apăsări statistice largi pentru a face distincția între subhalouri fără stele și galaxii pitice extrem de slabe.
Concluzie
Detectarea unui obiect invizibil optic cu o masă de ordinul unui milion de sori marchează un jalon în utilizarea lentilelor gravitaționale pentru a explora componentele întunecate ale cosmosului. Prin exploatarea bazelor interferometrice de dimensiunea Pământului și a modelelor de lentilă de precizie, astronomii pot acum detecta și începe să caracterizeze mase compacte la scale cu un ordin de mărime mai mici decât cele posibile anterior. Continuarea sondajelor și a observațiilor ulterioare va stabili dacă acest obiect este o aglomerare de materie întunecată sau o galaxie pitică ultra-compactă — și dacă multe alte structuri ascunse modelează Universul vizibil.
Lucrări suplimentare sunt în curs pentru a rafina modelele de lentilă, a investiga mediul înconjurător al obiectului și a căuta caracteristici analoge în alte sisteme lensed. Eforturile combinate de observație și simulare vor ajuta la clarificarea modului în care materia întunecată se organizează la cele mai mici scale cosmice și cum a influențat această organizare formarea galaxiilor de-a lungul istoriei Universului.
În final, această descoperire deschide drumul către o nouă etapă a cercetării asupra materiei întunecate și a structurii sub-galactice: o eră în care tehnicile de interferometrie radio și analiza riguroasă a lentilelor pot oferi probe directe ale populației de subhalouri și ale celor mai mici componente care alcătuiesc scheletul gravitator al Universului.
Sursa: sciencedaily
Lasă un Comentariu