Vågsimuleringar med syftet att öppna ett nytt fönster till att finna mörk materia

 

Bild. https://hkiaa.hku.hk/news  Konstnärs illustration av hur vågliknande täthetsmönster produceras av ultralätt mörk materia  förvränger rymden och förändrar ljusets väg från en avlägsen källa. Då ljuset blir  gravitationlinsat  av ett objektet på sin väg mot jorden i en förvrängd bana formad av den omgivande massfördelningen. Den reflekterande sfären symboliserar den fortfarande okända naturen hos mörk materia. Bilden skapades med hjälp av 3D-datorgrafikprogram. (Foto med tillstånd: Amruth Alfred)

Astrofysiker från University of Hong Kong (HKU), i samarbete med ett forskarteam under ledning från Beijing Normal University (BNU), har utvecklat en mer fysiskt realistisk metod för att testa hur ultraljus eller mörk materia kan påverka gravitationslinsade bilder av objekt långt därute Studien är den första som gör gravitationslinssprognos direkt av tredimensionella vågsimuleringar av suddig mörk materia. Simuleringarna återger de observerade bildpositionerna för en välstuderad linsad kvasar bättre  än vanliga data odelleringsmetoder vilket belyser potentialen hos högupplösta gravitationslinsobservationer för att undersöka mörk materias natur. Resultaten från denna forskningsstudie har publicerats i The Astrophysical Journal Letters (se nedan).

I nästan ett sekel har fysiker arbetat med mysteriet mörk materia. Materia vi inget vet vad det är mer än att det ger effekter och antas utgöra 85 % av all materia i universum. Trots sin förekomst avger den inte eller absorberar eller reflekterar ljus och detekteras endast genom  gravitationseffekter. Mörk materia saknas också i standardmodellen för partikelfysik, vår för närvarande accepterade ram för att beskriva fundamentala partiklar och tre av universums fyra fundamentala krafter, en ram som ligger till grund för mycket av modern teknik. 

Under det senaste decenniet har ökande astronomiska bevis visat att mörk materia kan bestå av ultralätta partiklar. På grund av sina extremt låga massor kan dessa partiklar bete sig kollektivt som vågor och skapa komplexa interferensmönster liknande de som bildas när vågor möts på en strand. Sådana mönster kan lämna spår i flera bilder av galaxer och uppstår när gravitationen hos ett massivt objekt böjer och förvränger ljus från en mer avlägsen källa vilket förutspåtts av Einsteins gravitationsteori.

I strävan att lösa mysteriet med mörk materia gjorde forskarteamet, inklusive professor Jeremy Lim och Dr. Amruth Alfred från HKU:s fysikinstitution och Hong Kong Institute of Astronomy and Astrophysics (HKIAA), förutsägelser om egenskaperna hos gravitationslinsade bilder om galaxer verkligen består av ultralätt mörk materia. Detta är första gången sådana förutsägelser har gjorts med hjälp av direkta datorsimuleringar för att noggrant fånga de vågliknande massmönster som produceras av interaktioner mellan ultralätta partiklar. Simuleringarna återgav de observerade positionerna för de linsade bilderna närmare än jämförelsemodellerna som användes i studien. Resultaten tyder på att gravitationslinsade system skulle kunna erbjuda ett sätt att testa ultraljus-mörk-materia-modeller. Forskarna undersöker nu fler effekter, inklusive förändringar i ljusstyrkan hos gravitationslinsade bilder.

Projektet växte fram ur forskningsbesök av HKU-forskarna till BNU, då de samarbetade nära med medlemmar i professor Zong-Hong Zhus grupp, Dr. Zhengxiang Li och doktoranden Jiajun Zhou, studiens huvudförfattare. "Vi var mycket spända på att se vad simuleringarna förutspådde eftersom vi inte visste i förväg vilka observerbara signaturer vi kunde förvänta oss. Jiajun arbetade mycket hårt för att snabbt få fram dessa anmärkningsvärda resultat och vi tror att detta har öppnat helt nya vägar för framtida forskning om mörk materians natur med hjälp av linsning."

Dessa besök stöddes av flera forskningsbidrag och bidrog till att lägga grunden för samarbetet. Den nyligen invigda HKIAA vid HKU har banat väg för närmare samarbete med kollegor på det kinesiska fastlandet och kommer att öppna dörrarna för vidare banbrytande astrofysikforskning.

För detaljer om forskningen se denna tidskriftsartikeln "Gravitational Lensing Predictions from Wave Simulations of Fuzzy DarkMatter" 

Nancy Grace Roman Space Telescope kommer att vara i drift minst dubbelt så länge som beräknat

 

Bild NASA Roman teleskopet. Rymdtelekopet som snart är i drift och som har stora förväntningar på sig. Det  söker  i det infraröda  strålningsområdet vilket är skillnad mot Hubbleteleskopet som söker i det synliga optiska fältet. Fältet där det mänskliga ögat ser. 

 NASAs Nancy Grace Roman SpaceTelescopes mycket exakta första korrigering mitt i kursen till sin plats därute  tillsammans med andra bränslebesparingar förväntas mer än fördubbla uppdragets potentiella operativa livslängd.

"Tack vare planering från vårt team för omloppsdynamik briljant genomförande av operationsteamet och en exakt uppskjutning från SpaceX har Roman bränsle för minst 22 års potentiella vetenskapliga operationer," beskriver Jamie Dunn, centerdirektör vid NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Något som mer än fördubblar den beräknande livslängden vid dess konstruktion.

Den extra livslängden kommer från den första halvkurskorrigeringens noggrannhet, extra bränsle före uppskjutning och förväntade resultat från Romans kommande andra kurskorrigering och omloppsinsättning.

Roman är designad för ett femårigt primärt uppdrag, plus ett femårigt förlängt uppdrag  en totalt tio års bränslebudget. Eftersom bränsle är observatoriets primära förbrukningsresurs kan eventuella bränslebesparingar möjliggöra ytterligare år av observationer utöver den 10-åriga designlivslängden.

Det romerska teamet genomförde sin första bränning den 31 augusti för att justera observatoriets bana mot dess slutliga bana och har sedan dess analyserat dess effekter på uppdraget. Förutom att manövern utfördes med mer än 99 % noggrannhet krävde den mindre än 10 % av det bränsle teamet hade budgeterat för: cirka 18 kilo, ner från 200 kilogram.

Extra bränsle vid uppskjutning skulle möjliggöra ungefär fyra år till utöver beräknat. Detta överskott vid uppskjutning finns eftersom Roman sköts upp lättare än planerat. Teamet hade budgeterat bränsle med en  maxvikt nu av 9 800 kilo vilket är långt över observatoriets först beräknade vikt på 8 056 kilo. Den nu lättare rymdfarkosten behövde mindre bränsle för kurskorrigeringen och dess lägre vikt lämnade också utrymme för att fylla drivmedelstankarna utöver vad det tioåriga uppdraget krävde.

"En rymdfarkosts massa förändras under design- och byggprocessen, så vi baserar drivmedelsbudgeten på ett fastställt maxvärde som nu förändrats" beskriver Alison Rao, Romans framdrivningschef på NASA Goddard. "Vi beräknade drivmedlet som behövs baserat på faktisk massa under hela integrationen och testningen  för att säkerställa att vi hade reservkraft. Eftersom Romans drivmedelsbehov blev lägre än vad vi budgeterat för kunde vi fylla drivmedelstankarna till deras kapacitet istället för att bara fylla dem så mycket vi behövde för 10-årskravet."

Tack vare den första halvvägskorrigeringen förväntas den andra bränningen bli mycket liten och spara ännu mer bränsle. Teamet kan också vänta längre med att genomföra denna uppföljande bränning, som nu är planerad till slutet av september början av oktober. Det kommer att ge observatoriet den sista energin som krävs för att nå sin målposition innan manövreringen till sin slutliga bana vid L2, cirka 100 dagar efter uppskjutningen, eller ungefär i början av december. Enligt nuvarande prognoser kommer båda manövrarna att använda mindre bränsle än planerat, vilket potentiellt sparar ännu mer för framtida vetenskap.

När Roman väl är i omloppsbana runt L2 (Larganpunkt) kommer den bara att behöva periodiska stationhållande bränslebränningar ungefär var 28:e dag.

Hubbleteleskopet kan tas som ett positivt exempel i vår tid, Det är fortfarande i full drift trots att dess ursprungliga beräknade livslängd var satt till 15 år när det sköts upp i rymden den 24 april 1990. Efter en del service genom åren är det fortfarande i drift och har nu levererat banbrytande vetenskap i över 36 år (2026)