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"
