Un nou studiu asupra „inelelor Einstein” ne-a adus cu un pas mai aproape de a înțelege enigmatica materie întunecată

Fizicienii cred că majoritatea materiei din univers este alcătuită din materie întunecată, o substanță misterioasă despre care știm doar prin efectele sale indirecte asupra stelelor și galaxiilor observabile. Însă un nou studiu ne aduce cu un pas mai aproape de înțelegerea sa, scrie The Conversation.

Inele EinsteinFoto: ESA / Eyevine / Profimedia Images

Fără această materie întunecată universul așa cum îl cunoaștem n-ar avea sens, dar natura materiei întunecate reprezintă un mister pentru fizicieni de decenii. Însă un nou studiu publicat zilele trecute de cercetători de la Universitatea Hong Kong în revista Nature Astronomy a folosit distorsionarea gravitațională a luminii pentru a ne aduce cu un pas mai aproape de înțelegerea sa.

Motivul pentru care oamenii de știință cred că materia întunecată este reală are de-a face cu faptul că putem vedea efectele gravitației sale în comportamentul galaxiilor. Mai exact, materia întunecată pare să constituie aproximativ 85% din masa universului iar cele mai îndepărtate galaxii pe care le putem vedea par înconjurate de un halou format din substanța enigmatică.

Însă ea este numită materie întunecată fiindcă nu emite, absoarbe sau reflectă lumină, ceea ce o face incredibil de dificil de detectat.

Așadar, ce este această substanță?

Două ipoteze privind materia întunecată

Oamenii de știință sunt de părere că ea ar trebui să fie un fel de particulă fundamentală încă nedescoperită, dar în afară de asta părerile sunt împărțite. Toate tentativele de a detecta materia întunecată în experimente efectuate în laborator au fost sortite eșecului până acum iar fizicienii dezbat natura sa de zeci de ani.

În prezent există două ipoteze favorite pentru originea materiei întunecate: particule relativ grele supranumite WIMP de la „weakly interacting massive particles” (particule masive cu interacțiune slabă) și particule extrem de ușoare numite axioni.

În teorie cele WIMP s-ar comporta mai multe ca particule discrete, în timp ce axionii ar avea un comportament mai mult asemănător cu cel al undelor din cauza interferenței cuantice.

Astrofizicienii au probleme în a distinge între cele două însă cercetătorii care au realizat noul studiu au obținut un indiciu prin analizarea luminii distorsionate din jurul galaxiilor foarte vechi (și, prin urmare, îndepărtate).

„Lentile gravitaționale” și „inelele Einstein”

Atunci când lumina care traversează universul trece pe lângă un obiect masiv, ca de exemplu o galaxie, calea sa este distorsionată deoarece – potrivit teoriei relativității generale a lui Albert Einstein – gravitația obiectului masiv distorsionează spațiul-timp în jurul său.

Drept urmare, atunci când privim cu telescoape puternice înspre o galaxie îndepărtată vedem o imagine distorsionată a celorlalte galaxii din spatele său. Iar dacă lucrurile se aliniază perfect, lumina galaxiei din fundal va forma un cerc în jurul celei mai apropiate.

Această distorsiune este cunoscută sub denumirea de „lentilă gravitațională” (sau miraj gravitațional) iar cercurile pe care ea le poate crea sunt numite „inele Einstein”.

Prin studierea modului în care acest tip de „inele” sau alte obiecte sunt distorsionate astronomii pot afla lucruri despre proprietățile haloului de materie întunecată din jurul galaxiei mai apropiate.

Reprezentare artistică a unei lupe gravitaționale în jurul unei găuri negre (FOTO: Handout / AFP / Profimedia)

Exact acest lucru l-au făcut oamenii de știință de la Universitatea Hong Kong prin noua lor cercetare. Ei s-au uitat la mai multe sisteme în care imagini multiple ale aceluiași obiect din fundal erau vizibile în galaxia din față, concentrându-se în special pe una numită HS 0810+2554.

Folosind modelări complexe ei au reușit să își dea seama cum ar arăta imaginile dacă ar fi fost distorsionate de materie întunecată alcătuită din particule WIMP, și cum ar arăta dacă aceasta ar fi alcătuită din axioni.

Modelul WIMP n-a arătat prea mult ca imaginile reale, însă cel cu axioni a reprodus cu acuratețe toate trăsăturile sistemului studiat.

Axionii, favoriți să explice materia întunecată

Aceste rezultate sugerează că axionii sunt un candidat mai probabil pentru materia întunecată iar abilitatea lor de a explica anomaliile gravitaționale și alte observații făcute de astrofizicieni au stârnit entuziasm în comunitatea științifică, cu atât mai mult încât noua cercetare e în linie cu studii anterioare care au indicat către axioni drept un candidat mai probabil pentru materia întunecată.

De exemplu, un studiu publicat în august 2017 în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society a examinat „comportamentul” materiei întunecate în galaxii pitice, în timp ce un altul publicat în februarie 2018 în aceeași revistă a studiat efectele pe care le-ar produce materia întunecată formată din axioni asupra radiației cosmice de fond.

Deși noua cercetare realizată de oamenii de știință de la Universitatea Hong Kong nu va pune capăt dezbaterii asupra naturii materiei întunecate, ea deschide noi căi pentru testări și experimente.

Două posibilități ar fi ca observațiile viitoare asupra lentilelor gravitaționale să fie folosite pentru a studia natura de undă a axionilor sau chiar pentru a încerca măsurarea masei lor.

O înțelegere mai bună asupra materiei întunecate va avea implicații majore asupra tot ceea ce înseamnă fizică particulelor și ceea ce înțelegem despre univers.