Hustota galaxií v poli Cosmic Evolution Survey (COSMOS) s farbami, ktoré predstavujú červený posun galaxií, od červeného posunu od 0,2 (modrá) do 1 (červená). Ružové röntgenové obrysy ukazujú rozšírenú röntgenovú žiarenie, ako to pozoruje XMM-Newton.
Temná hmota (skutočne studená, tmavá - nebaryonická hmota) sa dá zistiť iba pomocou jej gravitačného vplyvu. V klastroch a skupinách galaxií sa tento vplyv prejavuje ako slabá gravitačná šošovka, ktorú je ťažké potlačiť. Jedným zo spôsobov, ako presnejšie odhadnúť stupeň gravitačných šošoviek - a teda rozdelenie temnej hmoty - je použitie röntgenovej emisie z horúcej plazmy v rámci klastra na lokalizáciu ťažiska.
A to je to, čo nedávno urobil tím astronómov ... a prvýkrát nám poskytli informácie o tom, ako sa temná hmota vyvinula za posledných mnoho miliárd rokov.
COSMOS je astronomický prieskum navrhnutý na zisťovanie vzniku a vývoja galaxií ako funkcie kozmického času (redshift) a rozsiahleho štruktúrneho prostredia. Prieskum pokrýva rovníkové pole 2 štvorcových stupňov so zobrazovaním pomocou väčšiny veľkých vesmírnych teleskopov (vrátane Hubbleovho a XMM-Newtonského) a niekoľkých pozemných teleskopov.
Pochopenie podstaty temnej hmoty je jednou z kľúčových otvorených otázok v modernej kozmológii. V jednom z prístupov použitých na riešenie tejto otázky astronómovia používajú vzťah medzi hmotnosťou a svietivosťou, ktorý sa našiel pre zhluky galaxií, ktoré spájajú ich röntgenové emisie, čo je indikácia samotnej hmotnosti obyčajnej („baryonickej“) hmoty ( Samozrejme, baryonická hmota zahŕňa elektróny, ktoré sú leptony!) a ich celkové hmotnosti (baryonická plus tmavá hmota), ako je určené gravitačným šošovkom.
K dnešnému dňu bol vzťah vytvorený iba pre klastre v okolí. Nová práca v rámci medzinárodnej spolupráce, vrátane Inštitútu Maxa Plancka pre mimozemskú fyziku (MPE), Laboratória astrofyziky Marseille (LAM) a Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), priniesla výrazný pokrok v rozširovaní vzťahov do vzdialenejších oblastí. a menšie štruktúry, ako bolo predtým možné.
Na vytvorenie prepojenia medzi emisiou röntgenových lúčov a temnou hmotou v pozadí použil tím jednu z najväčších vzoriek skupín vybratých rôntgenovým žiarením a zhluky galaxií, ktoré vytvorilo observatórium röntgenových snímok ESA, XMM-Newton.
Skupiny a zhluky galaxií je možné efektívne nájsť pomocou ich rozšírenej röntgenovej emisie na subarcinačných mierkach. Vďaka svojej veľkej efektívnej ploche je XMM-Newton jediný röntgenový ďalekohľad, ktorý dokáže zistiť slabú úroveň emisií zo vzdialených skupín a zoskupení galaxií.
„Schopnosť spoločnosti XMM-Newton poskytovať veľké katalógy galaxijných skupín v hlbokých poliach je úžasná,“ uviedol Alexis Finoguenov z MPE a University of Maryland, spoluautor nedávnej noviny Astrophysical Journal (ApJ), ktorá informovala o tíme. výsledky.
Pretože röntgenové lúče sú najlepším spôsobom, ako nájsť a charakterizovať zhluky, väčšina následných štúdií sa doteraz obmedzovala na relatívne blízke skupiny a zhluky galaxií.
„Vzhľadom na bezprecedentné katalógy, ktoré poskytuje spoločnosť XMM-Newton, sme boli schopní rozšíriť merania hmotnosti na oveľa menšie štruktúry, ktoré existovali oveľa skôr v histórii vesmíru,“ hovorí Alexie Leauthaud z Fyzikálnej divízie Berkeley Lab, prvá autorka štúdia ApJ.
Gravitačné šošovky sa vyskytujú, pretože hmota zakrivuje priestor okolo nej, ohýba dráhu svetla: čím viac hmoty (a čím bližšie je stredu hmoty), tým viac priestoru sa ohýba a čím viac je obraz vzdialeného objektu posunutý a skreslený. Meranie skreslenia alebo „strihu“ je preto kľúčom k meraniu hmotnosti objektívu.
V prípade slabého gravitačného šošovky (ako sa používa v tejto štúdii) je šmyk príliš jemný na to, aby bol viditeľný priamo, ale štatisticky sa dajú vypočítať slabé ďalšie deformácie v kolekcii vzdialených galaxií a priemerný šmyk spôsobený šošovkami niektorých masívnych objekt pred nimi možno vypočítať. Avšak na výpočet hmotnosti šošovky z priemerného šmyku je potrebné poznať jej stred.
„Problém s klastrami s vysokým redshiftom je, že je ťažké presne určiť, ktorá galaxia leží v strede klastra,“ hovorí Leauthaud. „Tu pomáhajú röntgenové lúče. Röntgenovú luminozitu z klastra galaxie je možné použiť na presné nájdenie jeho stredu. “
Leauthaud a jeho kolegovia, ktorí poznajú centrá hmoty z analýzy röntgenovej emisie, by potom mohli pomocou slabých šošoviek odhadnúť celkovú hmotnosť vzdialených skupín a zoskupení s väčšou presnosťou ako kedykoľvek predtým.
Posledným krokom bolo zistiť röntgenovú svietivosť každého klastra galaxií a vyniesť ju proti hmotnosti stanovenej zo slabých šošoviek, pričom výsledný vzťah hmotnosť-svietivosť pre novú kolekciu skupín a zoskupení rozširuje predchádzajúce štúdie na nižšie hmotnosti a vyššie redshifts. V rámci vypočítateľnej neistoty tento vzťah sleduje rovnaký priamy sklon od blízkych klastrov galaxií k vzdialeným; jednoduchý konzistentný mierkový faktor súvisí s celkovou hmotnosťou (baryonický plus tmavý) skupiny alebo zoskupenia s jasom röntgenového žiarenia, pričom posledný meria samotnú baryonickú hmotu.
„Potvrdením vzťahu hmotnosť-svietivosť a jeho rozšírením na vysoké červené posuny sme urobili malý krok správnym smerom k použitiu slabých šošoviek ako účinného nástroja na meranie vývoja štruktúry,“ hovorí spoluautor Jean-Paul Kneib. dokumentu ApJ od LAM a francúzskeho národného strediska pre vedecký výskum (CNRS).
Pôvod galaxií sa dá vysledovať až po malé rozdiely v hustote horúceho, skorého vesmíru; stopy týchto rozdielov je stále možné vidieť ako malé teplotné rozdiely v kozmickom mikrovlnnom pozadí (CMB) - horúce a studené miesta.
„Variácie, ktoré pozorujeme na starom mikrovlnnom nebi, predstavujú odtlačky, ktoré sa časom vyvinuli do kozmického lešenia na tmavé hmoty pre galaxie, ktoré dnes vidíme,“ hovorí George Smoot, riaditeľ Berkeleyho centra pre kozmologickú fyziku (BCCP), profesor fyziky na Kalifornskej univerzite v Berkeley a člen fyzikálnej divízie Berkeley Lab. Smoot zdieľa Nobelovu cenu za fyziku za rok 2006 za meranie anizotropií v CMB a je jedným z autorov článku ApJ. "Je veľmi vzrušujúce, že v skutočnosti môžeme pomocou gravitačných šošoviek merať, ako sa temná hmota od začiatku zrútila a vyvinula."
Jedným z cieľov pri štúdiu vývoja štruktúry je pochopiť samotnú temnú hmotu a to, ako interaguje s bežnou hmotou, ktorú vidíme. Ďalším cieľom je dozvedieť sa viac o temnej energii, záhadnom fenoméne, ktorý rozdeľuje hmotu od seba a spôsobuje, že vesmír sa rozširuje akcelerujúcou rýchlosťou. Mnoho otázok zostáva nezodpovedaných: Je temná energia konštantná alebo je dynamická? Alebo je to iba ilúzia spôsobená obmedzením Einsteinovej všeobecnej teórie relativity?
Nástroje poskytnuté rozšíreným vzťahom hmotnosť-jasnosť urobia veľa na zodpovedanie týchto otázok o protichodných úlohách gravitácie a temnej energie pri formovaní vesmíru teraz aj v budúcnosti.
Zdroje: ESA a príspevok uverejnený v časopise Astrofyzical Journal (20. január 2010) (arXiv: 0910.5219 je predtlač)
