Pierścień Einsteina pokazuje, jak zachowuje się ciemna materia. Oddziałuje sama ze sobą?

W październiku 2023 roku na jednym ze zdjęć z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pojawił się dziwny obiekt. Był to okrąg rozjaśnionego światła z błyszczącą plamą w środku. Tak właśnie wygląda bardzo odległa galaktyka oznaczona jako JWST-ER1.

Obiekt ten stanowi soczewkę grawitacyjną. Czyli jest tak masywny, że mocno ugina znajdującą się dookoła niego czasoprzestrzeń. Kiedy w taki obszar czasoprzestrzeni dostanie się światło – pochodzące z jeszcze dalszej, niewidocznej galaktyki – zakrzywia się. W rzadkim przypadku nasze teleskopy mogą zarejestrować je właśnie jako świecący pierścień. 

Czego można się dowiedzieć dzięki pierścieniom Einsteina?

Ponieważ to Albert Einstein przewidział, że światło może zakrzywiać się w polu grawitacyjnym, zjawiska takie nazywa się pierścieniami Einsteina. Pierścień wokół galaktyki JWST-ER1 jest jednym z najdalszych – jeśli nie najdalszym – obiektem tego typu, jaki kiedykolwiek udało się wypatrzyć. Stanowi dla prawdziwy naukowców rarytas. Dzięki niemu mogą bowiem wyznaczyć masę całej znajdującej się wewnątrz materii.

W najnowszym numerze czasopisma naukowego „The Astrophysical Journal Letters” pojawiła się praca, której autorzy pokusili się o takie obliczenia dla JWST-ER1. Okazało się, że galaktyka ta waży tyle, ile 650 mld Słońc. To zaś oznacza, że jest wyjątkowo gęsta jak na zgrupowanie gwiazd jej rozmiarów.

Dwa rodzaje materii wewnątrz pierścienia Einsteina

Materia znajdująca się w granicach wyznaczonych przez pierścień Einsteina składa się z dwóch elementów. Pierwszy to zwykła materia, pyły i gazy tworzące m.in. gwiazdy. Druga to ciemna materia, nieuchwytny składnik Wszechświata. 

Galaktyka JWST-ER1 kryła niespodziankę. Po oszacowaniu ilości zwykłej materii (materii gwiazdowej) i odjęciu jej od łącznej materii wewnątrz pierścienia Einsteina, naukowcy otrzymali szacunkową ilość ciemnej materii. – Jej wartość okazała się wyższa od spodziewanej – mówi Hai-Bo Yu, profesor fizyki i astronomii z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside (UCR), pierwszy autor badań. – To było zagadkowe.

[ Komunikat: kliknij tutaj prawym przyciskiem myszki, jeśli chcesz usunąć promowany tekst ]

Naukowcy zaobserwowali rzadki fenomen – krzyż Einsteina. Czyli wzmocniony i powielony obraz odległej supernowej

Co to jest halo ciemnej materii?

W swojej pracy astrofizycy z UCR próbują wyjaśnić ten fenomen. Jedna z możliwych odpowiedzi związana jest z halo ciemnej materii otaczającym JWST-ER1. Co to jest?

– Ciemna materia odgrywa ogromną rolę we Wszechświecie. To w jej lokalnych zagęszczeniach tworzą się i ewoluują galaktyki. Każda galaktyka oraz każda gromada galaktyk jest zanurzona w otaczającej ją „aureoli” (ang. halo) ciemnej materii – wyjaśnia dr Anna Durkalec na stronie Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Początkowo przypuszczano, że takie halo jest kuliste. Jednak najprawdopodobniej ma inny kształt. – Większość halo ciemnej materii, zwłaszcza tych najbardziej masywnych, ma wydłużony kształt (podobny do jajka). Jest to spowodowane głównie naporem masy ciemnej materii i/lub gazu wpływającego do halo – pisze dr Durkalec.

Pierścień Einsteina a tajemnice ciemnej materii

To właśnie jajkowate halo wokół JWST-ER1 może kryć rozwiązanie zagadki jej masy. – Kiedy zwykła materia – gaz i gwiazdy – zapada się i kondensuje w halo ciemnej materii, JWST-ER1 może ściskać halo – stwierdził Demao Kong, student drugiego roku UCR, który prowadził analizę. – Nasze badania numeryczne pokazują, że ten mechanizm może wyjaśnić wysoką gęstość ciemnej materii w galaktyce JWST-ER1 – dodaje. Innymi słowy, w tej samej objętości jest upakowane więcej ciemnej materii, co skutkuje jej dużą gęstością. 

Co ciekawe, do tego wyjaśnienia idealnie pasuje uwzględnienie pewnego szczególnego rodzaju ciemnej materii. Takiego, której cząstki oddziałują same ze sobą. Oczywiście nie wiadomo, jakie to cząstki. Teorie ciemnej materii dopuszczają, że składa się ona z cząstek jednego rodzaju. Albo z mieszaniny różnych cząstek, które – jak cząstki zwykłej materii – wiążą siły nieznane jeszcze nauce. Jak się okazuje, pierścienie Einsteina dostarczają naukowcom danych pozwalających spekulować o właściwościach ciemnej materii.

Badacze mają nadzieję, że dzięki dalszym obserwacjom za pomocą Teleskopu Webba dowiedzą się o niej jeszcze więcej. 

Źródła: Space.com, UC Riverside, The Astrophysical Journal Letters, NCBJ.