Materia întunecată este invizibilă pentru toate instrumentele noastre, dar asta nu înseamnă că nu este acolo. Un radiotelescop suficient de mare ar trebui să poată cartografia radiațiile din hidrogenul pregalactic - format la scurt timp după bretonul mare și vizibil în toate direcțiile. Orice materie întunecată care intervine va denatura această radiație, ca ondulările într-un iaz, dezvăluindu-și prezența și cantitatea.
Pe măsură ce lumina călătorește spre noi de la obiecte îndepărtate, calea sa este îndoită ușor de efectele gravitaționale ale lucrurilor pe care le trece. Acest efect a fost observat pentru prima dată în 1919 pentru lumina stelelor îndepărtate care trec aproape de suprafața Soarelui, dovedind că teoria gravitației lui Einstein este o descriere mai bună a realității decât cea a lui Newton. Îndoirea provoacă o distorsiune detectabilă a imaginilor galaxiilor îndepărtate, analogă distorsiunii unei scene îndepărtate, privită printr-o fereastră slabă sau reflectată într-un lac ondulat. Puterea distorsiunii poate fi utilizată pentru a măsura rezistența gravitației obiectelor de prim plan și, prin urmare, a masei acestora. Dacă sunt disponibile măsurători de distorsiune pentru un număr suficient de mare de galaxii îndepărtate, acestea pot fi combinate pentru a face o hartă a întregii mase prim plan.
Această tehnică a produs deja măsurători precise ale masei tipice asociate galaxiilor prim-plan, precum și hărți de masă pentru un număr de grupuri de galaxii individuale. Cu toate acestea, suferă de anumite limitări fundamentale. Chiar și un telescop mare din spațiu poate vedea doar un număr limitat de galaxii de fundal, un maxim de aproximativ 100.000 în fiecare petic de cer de dimensiunea Lunii Pline. Măsurătorile a aproximativ 200 de galaxii trebuie să fie mediate împreună pentru a detecta semnalul de distorsiune gravitațională, astfel încât cea mai mică zonă pentru care se poate imagina masa este de aproximativ 0,2% cea a Lunii Pline. Imaginile rezultate sunt estompate inacceptabil și sunt prea granuloase pentru mai multe scopuri. De exemplu, numai cele mai mari bulgări de materie (cele mai mari grupuri de galaxii) pot fi identificate cu încredere în astfel de hărți. O a doua problemă este că multe dintre galaxiile îndepărtate a căror distorsiune este măsurată se află în fața multor bulgări de masă pe care cineva ar dori să le mapeze și, astfel, nu sunt afectate de gravitatea lor. Pentru a face o imagine ascuțită a masei într-o direcție dată este nevoie de surse mai îndepărtate și necesită multe altele. Cercetătorii MPA, Ben Metcalf și Simon White, au arătat că emisiile radio care vin la noi din epoca anterioară formării galaxiilor pot furniza astfel de surse.
La aproximativ 400.000 de ani de la Big Bang, Universul s-a răcit suficient încât aproape toată materia obișnuită sa transformat într-un gaz difuz, aproape uniform și neutru de hidrogen și heliu. Câteva sute de milioane de ani mai târziu gravitația amplifica neuniformitățile până la punctul în care se pot forma primele stele și galaxii. Lumina lor ultravioletă a încălzit apoi gazul difuz înapoi. În timpul acestei reîncălziri și pentru o perioadă îndelungată înainte de aceasta, hidrogenul difuz a fost mai cald sau mai rece decât radiația rămasă de la Big Bang. Ca urmare, trebuie să fi absorbit sau să emită unde radio cu o lungime de undă de 21 cm. Extinderea Universului face ca această radiație să fie vizibilă astăzi la lungimi de undă cuprinse între 2 și 20 de metri, iar în prezent sunt construite o serie de radiotelescoape de frecvență joasă pentru a căuta. Unul dintre cele mai avansate este frecvența de frecvență joasă (LOFAR) din Olanda, un proiect în care Institutul Max Planck pentru Astrofizică intenționează să joace un rol semnificativ, împreună cu o serie de alte instituții germane.
Hidrogenul pregalactic are structuri de toate dimensiunile care sunt precursorii galaxiilor și există până la 1000 de aceste structuri la distanțe diferite de-a lungul fiecărei linii de vedere. Un radiotelescop poate separa acestea deoarece structurile la distanțe diferite dau semnale la diferite lungimi de undă observate. Metcalf și White arată că distorsiunea gravitațională a acestor structuri ar permite unui radiotelescop să producă imagini de înaltă rezoluție a distribuției de masă cosmică, care sunt de peste zece ori mai clare decât cele mai bune care pot fi făcute folosind distorsiunile galaxiei. Un obiect similar în masă pentru calea noastră lactuală poate fi detectat până la vremea când Universul avea doar 5% vârsta actuală. O astfel de imagistică de înaltă rezoluție necesită o gamă de telescop extrem de mare, acoperind dens o regiune de aproximativ 100 km. Aceasta este de 100 de ori mai mare decât cea planificată pentru partea centrală dens acoperită a LOFAR și de aproximativ 20 de ori mai mare decât nucleul acoperit dens din Arătura Kilometrului Pătrat (SKA) cea mai mare astfel de instalație aflată în prezent în discuție. Un astfel de telescop gigant ar putea cartografia întreaga distribuție de masă gravitativă a Universului, oferind harta de comparație finală pentru imaginile produse de alte telescoape, care evidențiază doar fracția minusculă din masa care emite radiații pe care le pot detecta.
Cu toate acestea, nu trebuie să așteptăm ca telescopul uriaș să obțină rezultate inegalabile din această tehnică. Una dintre cele mai presante probleme din fizica actuală este de a înțelege mai bine misterioasa energie întunecată care conduce în prezent expansiunea accelerată a Universului. Metcalf și White arată că hărțile de masă dintr-o fracțiune mare a cerului realizate cu un instrument precum SKA ar putea măsura proprietățile Energiei Întunecate mai precis decât orice metodă sugerată anterior, de peste 10 ori mai exact decât hărțile de masă de dimensiuni similare bazate pe gravitaționale distorsiuni ale imaginilor optice ale galaxiilor.
Sursa originală: Comunicat de presă al Institutului Max Planck pentru Astrofizică
