Tutkimus paljastaa uusia tietoja pimeän aineen vaikutuksesta universumiin

James Webb -avaruusteleskoopin dataa hyödyntäneet tutkijat ovat onnistuneet luomaan ennennäkemättömän yksityiskohtaisen ja korkearesoluutioisen pimeän aineen kartan. Sekstantin tähdistön alueen kartassa on lähes 800 000 galaksia, eli noin kymmenen kertaa enemmän kuin Maan observatorioiden havaintokartoissa, ja kaksinkertaisesti myös Nasan varhaisemman avaruusteleskoopin Hubblen karttaan verrattuna.

Nasan vetämän tutkimusryhmän kartta paljastaa galaksien lisäksi uusia pimeän aineen kasautumia ja näyttää aiemmat avaruusteleskooppi Hubblen avulla havainnoidut alueet huomattavasti tarkemmalla resoluutiolla. Tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä 26. tammikuuta.

"James Webb -teleskoopin avulla tekemämme kartta on suurin ja selkein koskaan tehty pimeän aineen kartta. Se on myös kaksi kertaa tarkempi kuin minkään muun observatorion tekemä pimeän aineen kartta", sanoo Diana Scognamiglio, astrofysiikan tutkija Nasan avaruusteknologiaan keskittyneestä Jet Propulsion -laboratoriosta Yhdysvalloissa.

Kartta paljastaa, miten pimeä aine limittyy ja kietoutuu tavalliseen aineeseen eli materiaan, josta tähdet ja galaksit  ̶  ylipäätään kaikki, mitä voimme havaita  ̶  muodostuu. Pimeä aine sen sijaan ei säteile, heijasta, ime tai edes estä valoa, ja se kulkee tavallisen aineen läpi kuin aave. Pimeän aineen vetovoima vetää kuitenkin tavallista ainetta puoleensa, joten se voidaan havainnoida painovoiman avulla.

"Missä tahansa näemme suuren, tuhansien galaksien joukon, näemme myös yhtä massiivisen määrän pimeää ainetta samassa paikassa. Ja kun näemme ohuen tavallisen aineen säikeen yhdistävän kahta näistä joukoista, näemme myös pimeän aineen säikeen. Kartta osoittaa, että pimeä ja tavallinen aine ovat aina olleet samassa paikassa  ̶  ne kasvoivat yhdessä", sanoo Richard Massey, astrofysiikan tutkija brittiläisestä Durhamin yliopistosta.

Tutkijoiden tavoitteena oli mitata täsmällisesti tavallisen aineen sijainti ja verrata sitä pimeän aineen sijaintiin. Aalto-yliopiston astrofysiikan ja tekoälyn tutkija Ghassem Gozaliasl ja hänen kollegansa paikallistivat galaksiryhmittymiä ja -joukkoja ja kartoittivat niiden kaasun röntgensäteilyä, kun kaasu oli kuumentunut kymmeniin miljooniin asteisiin.

"Normaali eli baryoninen aine muodostaa vain noin 5 prosenttia maailmankaikkeudesta, pimeä aine noin 27 prosenttia ja pimeä energia loput. Galaksiryhmittymiä ja -joukkoja voi ajatella kosmisina kylinä ja kaupunkeina, joiden ympärillä on näkymätön pimeän aineen kehä. Tutkimuksemme paljasti sekä näiden näkyvien rakenteiden että niitä ympäröivien näkymättömien halojen tarkat massat ja sijainnit."

Kuin vääristyneen ikkunaruudun läpi

Teleskooppi tarkasteli noin 2,5 täydenkuun kokoisen taivaan osan kattavaa aluetta Sekstantin tähdistössä yhteensä noin 255 tunnin ajan. Maailmanlaajuinen tutkijajoukko havainnoi aluetta ainakin 15:llä sekä Maassa että avaruudessa sijaitsevalla teleskoopilla osana Cosmic Evolution Survey (COSMOS) -tutkimusta. Karttaan tallentui lähes 800 000 galaksia, joista jotkut havaittiin ensimmäistä kertaa.

Pimeää ainetta etsittiin tarkkailemalla, miten sen massa kaareuttaa itse avaruutta, ja siten taittaa Maahan kaukaisista galakseista matkustavan valon. Tutkijoiden mukaan oli kuin galaksien valo olisi kulkenut vääristyneen ikkunaruudun läpi.

Kun maailmankaikkeus alkoi, tavallinen aine ja pimeä aine olivat todennäköisesti harvaan jakautuneina. Tutkijat uskovat, että pimeä aine alkoi kasautua ensin. Nämä pimeän aineen ryppäät vetivät sitten tavallista ainetta kasaan, luoden alueita, joissa oli tarpeeksi materiaa tähtien ja galaksien muodostumiselle. Pimeän aineen vaikutus lopulta siis johti myös planeettojen muodostumiseen.

"Kun katsomme Webbin avulla syvälle avaruuteen, katsomme itse asiassa ajassa taaksepäin. Valo kaukaisista galakseista on matkustanut kohti meitä miljardien vuosien ajan. Saamme siis nähdä maailmankaikkeuden nuorena, seurata kuinka pimeä aine muovasi kaiken ja miten galaksit löysivät paikkansa tässä kosmisessa tanssissa. Koko ihmiskunnan tarina on vain yksi lyhyt hetki tässä miljardeja vuosia vanhassa tarinassa," sanoo Gozaliasl.

Gozaliasl on tutkijatohtorina professori Maarit Korpi-Laggin vetämässä Aalto High-performance Computing Labissa.

Linkki artikkeliin