Galaktiku blīvums kosmiskās evolūcijas apsekojuma (COSMOS) laukā ar krāsām, kas attēlo galaktiku sarkano nobīdi, sākot no sarkanās nobīdes no 0.2 (zilā) līdz 1 (sarkanā). Rozā rentgena kontūras rāda paplašinātu rentgena starojumu, kā novēro XMM-Newton.
Tumšo matēriju (faktiski auksto, tumšo - bezbaronisko - matēriju) var noteikt tikai pēc tās gravitācijas ietekmes. Kopās un galaktiku grupās šī ietekme parādās kā vāja gravitācijas izkliedētāja, kuru ir grūti nosist. Viens no veidiem, kā daudz precīzāk noteikt gravitācijas izkliedētāja pakāpi un tādējādi arī tumšās vielas sadalījumu, ir izmantot rentgenstaru izstarojumu no karstās iekšējās kopas plazmas, lai noteiktu masas centru.
Tas ir tieši tas, ko nesen paveica astronomu komanda ... un viņi pirmo reizi ir devuši mums iespēju uzzināt, kā tumšā matērija ir attīstījusies pēdējo daudzu miljardu gadu laikā.
COSMOS ir astronomisks pētījums, kas paredzēts, lai pārbaudītu galaktiku veidošanos un evolūciju atkarībā no kosmiskā laika (sarkanā nobīde) un liela mēroga struktūras vides. Aptauja aptver 2 kvadrātveida grādu ekvatoriālo lauku ar attēliem lielākajā daļā lielāko kosmosa teleskopu (ieskaitot Habla un XMM-Newton) un vairākus uz zemes bāzētus teleskopus.
Izpratne par tumšās matērijas būtību ir viens no galvenajiem atklātajiem jautājumiem mūsdienu kosmoloģijā. Vienā no pieejām, ko izmanto šī jautājuma risināšanai, astronomi izmanto masas un gaišuma attiecības, kas ir atrastas galaktiku kopās, kas sasaista to rentgenstaru izstarojumus, kas norāda tikai uz parastās (“baryonic”) vielas masu ( protams, baryonic matērijā ietilpst elektroni, kas ir leptoni!), un to kopējās masas (baryonic plus tumšā matērija), ko nosaka ar gravitācijas izkliedētāju.
Līdz šim attiecības ir nodibinātas tikai blakus esošām kopām. Jauns darbs, ko izstrādājusi starptautiska sadarbība, ieskaitot Maks Planka ārpuszemes fizikas institūtu (MPE), Marseļas Astrofizikas laboratoriju (LAM) un Lawrence Berkeley Nacionālo laboratoriju (Berkeley Lab), ir guvusi ievērojamus panākumus, paplašinot attiecības ar tālajiem. un mazākas struktūras, nekā tas bija iespējams iepriekš.
Lai izveidotu saikni starp rentgenstaru emisiju un pamatā esošo tumšo vielu, komanda izmantoja vienu no lielākajiem rentgena staru atlasīto grupu un galaktiku kopu paraugiem, ko izveidoja ESA rentgena observatorija XMM-Newton.
Galaktiku grupas un kopas var efektīvi atrast, izmantojot to paplašināto rentgena izstarojumu sub-lokaminūtiskajos mērogos. Tā lielā efektīvā laukuma rezultātā XMM-Newton ir vienīgais rentgena teleskops, kas var noteikt vāju emisijas līmeni no tālām galaktiku grupām un kopām.
"XMM-Newton spēja nodrošināt lielus galaktiku grupu katalogus dziļos laukos ir pārsteidzoša," teica Aleksejs Finoguenovs no MPE un Merilendas Universitātes, nesenā Astrophysical Journal (ApJ) darba līdzautors, kurš ziņoja par komandas rezultāti.
Tā kā rentgenstari ir labākais veids, kā atrast un raksturot kopas, līdz šim vairums pēcpārbaudes pētījumu ir veikti tikai relatīvi tuvumā esošās galaktiku grupās un kopās.
"Ņemot vērā bezprecedenta katalogus, ko piedāvā XMM-Newton, mēs esam spējuši paplašināt masas mērījumus līdz daudz mazākām struktūrām, kas pastāvēja daudz agrāk Visuma vēsturē," saka Alexie Leauthaud no Berkeley Lab's Physics Division, pirmā autore. ApJ pētījums.
Gravitācijas objektīvs rodas tāpēc, ka masa izliek telpu ap to, liekot gaismas ceļu: jo vairāk masas (un jo tuvāk tas ir masas centram), jo vairāk vietas saliekjas, un jo vairāk attālināta objekta attēls tiek pārvietots un izkropļots. Tādējādi izkropļojuma jeb 'bīdes' mērīšana ir atslēga objektīva masas mērīšanai.
Vāja gravitācijas izkliedētāja gadījumā (kā izmantots šajā pētījumā) bīde ir pārāk smalka, lai to tieši redzētu, bet statistiski var aprēķināt vājus papildu traucējumus tālu galaktiku kolekcijā, un vidējā bīde dažu masīvu lēcu dēļ objektu to priekšā var aprēķināt. Tomēr, lai aprēķinātu objektīva masu no vidējās bīdes, ir jāzina tā centrs.
“Problēma ar klasteriem ar lielu sarkano nobīdi ir tā, ka ir grūti precīzi noteikt, kura galaktika atrodas klastera centrā,” saka Leauthaud. “Šeit palīdz rentgenstari. Galaktikas klastera rentgena starojumu var izmantot, lai ļoti precīzi atrastu tā centru. ”
Zinot masu centrus no rentgena izstarojuma analīzes, Leauthaud un kolēģi pēc tam varēja izmantot vāju izkliedētāju, lai ar lielāku precizitāti nekā jebkad agrāk novērtētu attālo grupu un kopu kopējo masu.
Pēdējais solis bija noteikt katras galaktikas klastera rentgena starojumu un noformēt to pret masu, kas noteikta pēc vājā objektīva, ar iegūto masas un gaismas spilgtuma attiecību jaunajai grupu un kopu kolekcijai, paplašinot iepriekšējos pētījumus līdz zemākām masām un lielākām. sarkanās maiņas. Aprēķināmā nenoteiktībā attiecība seko tam pašam taisnajam slīpumam no tuvējo galaktiku kopām uz attālām; vienkāršs konsekvents mērogošanas koeficients saista grupas vai kopas kopējo masu (baryonic plus tumšo) ar tās rentgena spilgtumu, pēdējais mēra tikai baryonic masu.
“Apstiprinot masas un gaismas attiecību un attiecinot to uz lieliem sarkaniem nobīdi, mēs esam spēruši nelielu soli pareizajā virzienā, izmantojot vāju objektīvu kā spēcīgu instrumentu struktūras attīstības novērtēšanai,” saka līdzautors Žans Pols Kneibs. no LAM un Francijas Nacionālā zinātniskās pētniecības centra (CNRS) ApJ darba.
Galaktiku izcelsmi var izsekot līdz nelielām karstā, agrīnā Visuma blīvuma atšķirībām; Šo atšķirību pēdas joprojām var uzskatīt par minimālām temperatūras atšķirībām kosmiskajā mikroviļņu fona (CMB) - karstajos un aukstajos punktos.
“Variācijas, kuras mēs novērojam senajās mikroviļņu debesīs, atspoguļo nospiedumus, kas laika gaitā izveidojušies par kosmisko tumšās vielas sastatnēm galaktikām, kuras mēs šodien redzam,” saka Džordžs Smots, Bērklija Kosmoloģiskās fizikas centra (BCCP) direktors, profesors fizikas fakultāte Kalifornijas universitātē Bērklijā un Bērklija laboratorijas fizikas nodaļas locekle. Smoots dalīja 2006. gada Nobela prēmiju fizikā par anizotropiju mērīšanu CMB un ir viens no ApJ darba autoriem. "Tas ir ļoti aizraujoši, ka mēs faktiski varam ar gravitācijas objektīvu izmērīt, kā tumšā matērija ir sabrukusi un attīstījusies kopš paša sākuma."
Viens mērķis, pētot struktūras attīstību, ir saprast pašu tumšo matēriju un to, kā tā mijiedarbojas ar parasto matēriju, ko mēs varam redzēt. Vēl viens mērķis ir uzzināt vairāk par tumšo enerģiju - noslēpumaino parādību, kas izjauc matēriju un liek Visumam paplašināties paātrinoties. Daudzi jautājumi paliek neatbildēti: vai tumšā enerģija ir nemainīga, vai arī tā ir dinamiska? Vai arī tā ir tikai ilūzija, ko rada ierobežojums Einšteina vispārīgajā relativitātes teorijā?
Rīki, kurus nodrošina paplašinātās masas un gaismas spēja, daudz palīdzēs, atbildot uz šiem jautājumiem par gravitācijas un tumšās enerģijas pretstatītajām lomām Visuma veidošanā tagad un nākotnē.
Avoti: ESA un dokuments, kas publicēts Astrofizikas žurnāla 2010. gada 20. janvāra numurā (pirmizrāde ir arXiv: 0910.5219).
