Gustoća galaksije u polju Ankete o kozmičkoj evoluciji (COSMOS), s bojama koje predstavljaju crveni pomak galaksija, u rasponu od crvenog pomaka od 0,2 (plava) do 1 (crvena). Ružičaste konture rendgenskih zraka pokazuju produljenu emisiju x-zraka koju je primijetio XMM-Newton.
Tamna tvar (zapravo hladna, tamna - nebarijenska materija) može se detektirati samo njezinim gravitacijskim utjecajem. U grozdovima i skupinama galaksija taj se utjecaj pokazuje kao slabo gravitacijsko sočivo koje je teško spustiti. Jedan od načina da se preciznije procijeni stupanj gravitacijskog leća - pa tako i raspodjela tamne tvari - je da se pomoću rendgenske emisije iz plazme unutar unutar klastera pronađe središte mase.
A to je upravo ono što je tim astronoma nedavno učinio ... i oni su nam, po prvi put, dali odgovor na to kako se tamna tvar razvijala u posljednjih mnogo milijardi godina.
COSMOS je astronomsko istraživanje osmišljeno da ispita formiranje i evoluciju galaksija kao funkciju kozmičkog vremena (crveni pomak) i okruženja strukture velikih razmjera. Istraživanje obuhvaća ekvatorijalno polje veličine 2 kvadratna stupnja s slikama većine glavnih svemirskih teleskopa (uključujući Hubble i XMM-Newton) i brojnih zemaljskih teleskopa.
Razumijevanje prirode tamne materije jedno je od ključnih otvorenih pitanja u modernoj kozmologiji. U jednom od pristupa koji se koriste za rješavanje ovog pitanja astronomi koriste odnos mase i svjetline koji je pronađen za grozdove galaksija koji povezuju njihove rentgenske zrake, naznaku mase samo obične („barionske“) materije ( naravno, barionska tvar uključuje elektrone, koji su leptoni!), i njihovu ukupnu masu (barionski plus tamna tvar) što je određeno gravitacijskim lećanjem.
Do danas je odnos uspostavljen samo za obližnje klastere. Novo djelo međunarodne suradnje, uključujući Institut Maxa Plancka za izvanzemaljsku fiziku (MPE), Laboratorij astrofizike Marseillesa (LAM) i Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), postiglo je veliki napredak u proširenju odnosa na udaljenije i manje građevine nego što je ranije bilo moguće.
Da bi uspostavili vezu između emisije rendgenskih zraka i temeljne tamne materije, tim je upotrijebio jedan od najvećih uzoraka rendgenskih odabranih skupina i skupina galaksija, proizvedenih u ESA-inom opservatoriju XMM-Newton.
Grupe i grozdovi galaksija mogu se učinkovito pronaći pomoću produžene rendgenske emisije na ljestvici ispod armatinuta. Kao rezultat velikog učinkovitog područja, XMM-Newton je jedini rendgenski teleskop koji može otkriti slabu razinu emisije iz udaljenih skupina i nakupina galaksija.
"Sposobnost XMM-Newtona da pruža velike kataloge galaksijskih skupina u dubokim poljima zadivljujuća je", rekao je Alexis Finoguenov iz MPE-a i Sveučilišta Maryland, koautor nedavnog rada Astrophysical Journal (ApJ) koji je izvijestio o timu rezultati.
Budući da su x-zrake najbolji način za pronalaženje i karakterizaciju klastera, većina daljnjih studija do sada je bila ograničena na relativno obližnje skupine i grozdove galaksija.
"S obzirom na neviđene kataloge koje je pružio XMM-Newton, uspjeli smo proširiti mjerenja mase na mnogo manje strukture, koje su postojale mnogo ranije u povijesti svemira", kaže Alexie Leauthaud iz odjela za fiziku Berkeley Lab, prvog autora časopisa studija ApJ.
Gravitacijsko leće nastaje zato što masa zakrivljava prostor oko sebe, savijajući put svjetlosti: što je veća masa (i što je bliže centru mase), to se više savija prostor, a više se pomiče slika udaljenog objekta i iskrivljena. Stoga je mjerenje izobličenja, odnosno 'smicanja', ključno za mjerenje mase objekta koji leći.
U slučaju slabog gravitacijskog sočiva (kako se koristi u ovoj studiji), smicanje je previše suptilno da bi se moglo izravno vidjeti, ali slaba dodatna izobličenja u zbirci udaljenih galaksija mogu se statistički izračunati, a prosječno smicanje uslijed leća nekih masivnih objekt ispred njih može se izračunati. Međutim, da bi se izračunala masa leće iz prosječnog smicanja, potrebno je znati njezino središte.
"Problem sa klasterima visokih crvenih pomaka je taj što je teško točno odrediti koja se galaksija nalazi u središtu klastera", kaže Leauthaud. "U tome pomažu rendgenski snimci. Svjetlost rendgenske zrake iz galaksijskog klastera može se koristiti za točno otkrivanje njezinog središta. "
Poznavajući centre mase iz analize emisije rendgenskih zraka, Leauthaud i njegovi kolege tada su mogli koristiti slaba leća za procjenu ukupne mase udaljenih skupina i skupina s većom točnošću nego ikad prije.
Završni korak je bio odrediti rendgensku svjetlinu svake grupe galaksija i crtati je prema masi utvrđenoj iz slabog leća, a rezultirajući odnos mase i svjetlosti za novu kolekciju grupa i klastera proširio je prethodna istraživanja na niže mase i više redshifts. Unutar izračunate nesigurnosti, odnos slijedi isti ravni nagib od obližnjih skupina galaksija do udaljenih; jednostavni dosljedni faktor skaliranja odnosi se na ukupnu masu (barionski plus tamni) grupe ili grozda na njezinu svjetlinu rendgenskih zraka, pri čemu potonji mjeri samu barijensku masu.
"Potvrđujući odnos mase svjetlosti i proširujući ga na visoke crvene pomake, napravili smo mali korak u pravom smjeru prema korištenju slabih leća kao moćnog alata za mjerenje evolucije strukture", kaže Jean-Paul Kneib, koautor rada ApJ iz LAM-a i Francuskog nacionalnog centra za znanstvena istraživanja (CNRS).
Podrijetlo galaksija može se pratiti do malih razlika u gustoći vrućeg, ranog Svemira; tragovi tih razlika još uvijek se mogu vidjeti kao minutne razlike temperature u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini (CMB) - vruće i hladne točke.
"Varijacije koje opažamo na drevnom mikrovalnom nebu predstavljaju otiske koji su se vremenom razvili u kosmičke skele tamne materije za galaksije kakve danas vidimo", kaže George Smoot, direktor Berkeley centra za kozmološku fiziku (BCCP), profesor fizike na Kalifornijskom sveučilištu u Berkeleyju i član Odjela za fiziku Berkeley Lab. Smoot je podijelio Nobelovu nagradu za fiziku za 2006. Godinu za mjerenje anizotropija u CMB-u i jedan je od autora rada ApJ. "Vrlo je uzbudljivo što zapravo možemo izmjeriti gravitacijskim lećama kako se tamna tvar urušava i razvija od početka."
Jedan cilj proučavanja evolucije strukture je razumijevanje same tamne materije i njezine interakcije s običnom materijom koju možemo vidjeti. Drugi je cilj naučiti više o tamnoj energiji, tajanstvenom fenomenu koji razdvaja materiju i uzrokuje da se Svemir širi ubrzavajućom brzinom. Mnoga pitanja ostaju bez odgovora: Je li tamna energija konstantna ili je dinamična? Ili je to samo iluzija uzrokovana ograničenjem u Einsteinovoj Općoj teoriji relativnosti?
Alati pruženi proširenim odnosom svjetlosti mase će učiniti puno za odgovor na ova pitanja o suprotnim ulogama gravitacije i tamne energije u oblikovanju Svemira, sada i u budućnosti.
Izvori: ESA i rad objavljen u broju Astrofizičkog časopisa za 20. siječnja 2010. (arXiv: 0910.5219 je pretisak)
