Galaktikus sűrűség a kozmikus evolúció felmérése (COSMOS) mezőben, a színek a galaxisok vöröseltolódását képviselik, 0,2 (kék) és 1 (piros) vöröseltolódástól kezdve. A rózsaszín röntgenkontúrok megmutatják a kiterjesztett röntgenkibocsátást, amint azt az XMM-Newton megfigyelte.
A sötét anyagot (valójában hideg, sötét - nem-baryon-anyagot) csak gravitációs hatása alapján lehet kimutatni. Klaszterekben és galaxiscsoportokban ez a hatás gyenge gravitációs lencseként mutatkozik meg, amelyet nehéz körbevágni. A gravitációs lencse fokozatának - és így a sötét anyag eloszlásának - sokkal pontosabb becslésének egyik módja a forró klaszterben belüli plazma röntgenkibocsátásának felhasználása a tömegközpont meghatározására.
És éppen ezt csinálta egy csillagászok egy csoportja a közelmúltban ... és először adtak nekünk egy képet arról, hogyan alakult a sötét anyag az elmúlt több milliárd év alatt.
A COSMOS egy csillagászati felmérés, amelynek célja a galaxisok kialakulásának és fejlődésének vizsgálata a kozmikus idő (vöröseltolódás) és a nagy léptékű szerkezeti környezet függvényében. A felmérés egy 2 négyzet fokos egyenlítői mezőt fed le, a legtöbb nagy űrbázisú távcső (beleértve a Hubble-t és az XMM-Newton-t) és számos földi távcső képeivel.
A sötét anyag természetének megértése az egyik legfontosabb nyitott kérdés a modern kozmológiában. A kérdés megválaszolásához alkalmazott egyik megközelítésben az csillagászok a galaxisok klasztereiben a tömeg és a fényerősség kapcsolatát használják, amely összekapcsolja röntgenkibocsátásukat, csupán a közönséges („baryonic”) anyag tömegének megjelölésével ( természetesen a baryonic anyag magában foglalja az elektronokat, amelyek leptonok!), és azok teljes tömegét (baryonic plusz sötét anyag), a gravitációs lencsével meghatározva.
A mai napig a kapcsolatot csak a közeli klaszterekkel hozták létre. Egy olyan nemzetközi együttműködés, amely magában foglalja a Max Planck Földönkívüli Fizikai Intézetet (MPE), a Marseille-i Asztrofizikai Laboratóriumot (LAM) és a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumot (Berkeley Lab), új előrelépés jelentős előrelépést tett a kapcsolat kiterjesztésekor a távolabbi helyekre. és kisebb szerkezetek, mint az előzőleg lehetséges volt.
A röntgenkibocsátás és a mögöttes sötét anyag közötti kapcsolat megteremtésére a csoport az ESA röntgenmegfigyelő intézetének az XMM-Newton által készített, a röntgen által kiválasztott galaxiscsoportok és klaszterek egyik legnagyobb mintáját használta.
A galaxisok csoportjai és klaszterei hatékonyan megtalálhatók kiterjesztett röntgenkibocsátásuk felhasználásával az al-perces periódusú skálákon. A nagy hatásterületének eredményeként az XMM-Newton az egyetlen röntgen-távcső, amely képes érzékelni a távoli csoportokból és galaxiscsoportokból származó halk emissziós szintet.
„Az XMM-Newton azon képessége, hogy nagy mélységű mezőkben nagy mennyiségű galaxiscsoportot biztosítson,” - mondta Alexis Finoguenov, az MPE és a Marylandi Egyetem, a közelmúltban megjelent Astrophysical Journal (ApJ) cikk társszerzője. eredmények.
Mivel a röntgen a legjobb módszer a klaszterek megtalálására és jellemzésére, a legtöbb követő vizsgálat eddig a viszonylag közeli galaxiscsoportokra és klaszterekre korlátozódott.
"Tekintettel az XMM-Newton példátlan katalógusaira, kibővítettük a tömegméréseket sokkal kisebb szerkezetekre, amelyek sokkal korábban léteztek az univerzum történetében" - mondja Alexie Leauthaud, a Berkeley Lab fizikai osztályának, az első szerző az ApJ tanulmány.
A gravitációs lencsék azért fordulnak elő, mert a tömeg görbíti a térét, és meghajolja a fény útját: minél nagyobb a tömeg (és minél közelebb van a tömegközponthoz), annál több tér hajlik, és annál inkább elmozdul egy távoli tárgy képe és eltorzult. Így a torzítás vagy a nyírás mérése kulcsfontosságú a lencse tárgyának méréséhez.
Gyenge gravitációs lencsék esetén (ebben a tanulmányban) a nyírás túl finom ahhoz, hogy közvetlenül megnézhető legyen, de statisztikailag kiszámítható a távoli galaxisok gyűjteményének halvány további torzulása, és néhány hatalmas lencse miatt az átlagos nyíróképesség az előtte lévő objektum kiszámítható. Ahhoz azonban, hogy a lencse tömegét az átlagos nyírási tényezőből kiszámítsuk, meg kell ismerni annak középpontját.
"A nagy vöröseltolódású klaszterek problémája az, hogy nehéz pontosan meghatározni, hogy melyik galaxis fekszik a klaszter központjában" - mondja Leauthaud. „Itt segít a röntgen. A galaxisfürt röntgen fényereje felhasználható arra, hogy nagyon pontosan megtalálja a központját. ”
Ismerve a tömegközpontokat a röntgenkibocsátás elemzéséből, Leauthaud és munkatársai ezután gyenge lencséket használhatnak a távoli csoportok és klaszterek össztömegének pontosabb becslésére, mint valaha.
Az utolsó lépés az volt, hogy meghatározzuk az egyes galaxiscsoportok röntgen fényerősségét, és ábrázoljuk a gyenge lencséktől meghatározott tömeg alapján, az így kapott tömeg-fényviszony viszonyulva az új csoportok és klaszterek gyűjteményéhez, amely kiterjeszti az előző vizsgálatokat alacsonyabb és magasabb tömegre. vöröseltolódások. A kiszámítható bizonytalanságon belül a kapcsolat ugyanazt az egyenes lejtőt követi a közeli galaxiscsoportoktól a távoli csoportokig; egy egyszerű, következetes skálázási tényező a csoport vagy klaszter teljes tömegét (baryonic plusz sötét) összekapcsolja a röntgen fényerősségével, ez utóbbi önmagában a baryonic tömeget méri.
"A tömeg-fényviszonyok viszonyának megerősítésével és a nagy vöröseltolódásokra való kiterjesztésével egy kis lépést tettünk a helyes irányba a gyenge lencsék hatékony eszközként történő felhasználása felé, amely erőteljes eszköz a szerkezet fejlődésének mérésére" - mondja Jean-Paul Kneib társszerző A LAM és a Franciaország Nemzeti Tudományos Kutatóközpont (CNRS) ApJ-papírjának a példája.
A galaxisok eredete a forró, korai univerzum sűrűségének kis különbségeire vezethető vissza; ezeknek a különbségeknek a nyomai továbbra is percenkénti hőmérsékleti különbségek lehetnek a kozmikus mikrohullámú háttérben (CMB) - meleg és hideg foltok.
„Azok a variációk, amelyeket az ősi mikrohullámú égbolton megfigyelünk, azok a lenyomatok, amelyek az idő múlásával a kozmikus sötét anyagú állványzatgá fejlődtek a jelenlegi galaxisok számára” - mondja George Smoot, a Berkeley Kozmológiai Fizikai Központ (BCCP) igazgatója, professzor a Berkeley-ben a Kaliforniai Egyetemen a fizika szakán, valamint a Berkeley Lab fizikai osztályának tagja. A Smoot megosztotta a 2006. évi Nobel-díjat a fizikában az anizotrópiák méréséért a CMB-ben, és az ApJ cikk egyik szerzője. "Nagyon izgalmas, hogy a gravitációs lencsékkel valóban megmérhetjük, hogy a sötét anyag mióta összeomlott és hogyan alakult ki a kezdetektől."
A szerkezet evolúciójának tanulmányozásának egyik célja az, hogy megértse magát a sötét anyagot és annak kölcsönhatását a látványos közönséges anyaggal. Egy másik cél az, hogy többet megismerjenek a sötét energiáról, a titokzatos jelenségről, amely az anyagot elválasztja és az Univerzum gyorsuló ütemű növekedéséhez vezet. Sok kérdés marad megválaszolatlan: Állandó a sötét energia, vagy dinamikus? Vagy pusztán illúzió, amelyet Einstein általános relativitáselmélete korlátozott?
A kibővített tömeg-fényviszony kapcsolata által nyújtott eszközök nagyban hozzájárulnak a gravitáció és a sötét energia ellentétes szerepekkel kapcsolatos kérdések megválaszolásához az univerzum kialakításában, most és a jövőben.
Források: ESA, valamint az Astrophysical Journal 2010. január 20-i számában megjelent cikk (az arXiv: 0910.5219 az előzetes nyomtatás).
