Densitatea galaxiei în câmpul Cosmic Evolution Survey (COSMOS), culorile reprezentând redshift-ul galaxiilor, variind de la redshift de 0,2 (albastru) la 1 (roșu). Contururile de raze X roz arată emisia extinsă de raze X, așa cum a fost observată de XMM-Newton.
Materia întunecată (de fapt rece, întunecată - non-baryonic - materie) poate fi detectată doar prin influența sa gravitațională. În grupuri și grupuri de galaxii, această influență apare ca o lentilă gravitațională slabă, greu de atins în jos. O modalitate de a estima mult mai precis gradul de lentilă gravitațională - și deci distribuția materiei întunecate - este utilizarea emisiilor de raze X din plasma intra-cluster fierbinte pentru a localiza centrul de masă.
Și asta este doar ceea ce a făcut recent o echipă de astronomi ... și, pentru prima dată, ne-au oferit un control asupra evoluției materiei întunecate în ultimii miliarde de ani.
COSMOS este un sondaj astronomic conceput pentru a sonda formarea și evoluția galaxiilor ca funcție a timpului cosmic (redshift) și a mediului de structură la scară largă. Sondajul acoperă un câmp ecuatorial de 2 grade pătrat cu imagistică de cele mai multe dintre principalele telescoape spațiale (inclusiv Hubble și XMM-Newton) și o serie de telescoape la sol.
Înțelegerea naturii materiei întunecate este una dintre întrebările cheie deschise în cosmologia modernă. Într-una dintre abordările utilizate pentru a aborda această întrebare, astronomii folosesc relația dintre masă și luminozitate care a fost găsită pentru grupuri de galaxii care leagă emisiile de raze X, o indicație a masei materiei obișnuite („baryonic”) (singură) desigur, materia baryonică include electroni, care sunt leptoni!), și masele lor totale (baryonic plus materie întunecată), astfel cum este determinată de lentila gravitațională.
Până în prezent, relația a fost stabilită numai pentru grupurile din apropiere. O nouă lucrare realizată printr-o colaborare internațională, inclusiv Institutul Max Planck pentru Fizică Extraterestră (MPE), Laboratorul de Astrofizică din Marsilia (LAM) și Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), au făcut progrese majore în extinderea relației la mai îndepărtate. și structuri mai mici decât era posibil anterior.
Pentru a stabili legătura dintre emisiile de raze X și materia întunecată subiacentă, echipa a utilizat unul dintre cele mai mari probe de grupuri selectate de raze X și grupuri de galaxii, produse de observatorul de raze X al ESA, XMM-Newton.
Grupurile și grupurile de galaxii pot fi găsite în mod eficient utilizând emisia lor de raze X extinsă pe scări sub-arcminute. Ca urmare a ariei sale efective mari, XMM-Newton este singurul telescop cu raze X care poate detecta nivelul slab al emisiilor din grupuri îndepărtate și grupuri de galaxii.
"Abilitatea XMM-Newton de a furniza cataloage mari de grupuri de galaxii în câmpuri profunde este uimitoare", a declarat Alexis Finoguenov de la MPE și Universitatea din Maryland, coautor al recentului document Astrophysical Journal (ApJ) care a raportat echipa rezultate.
Întrucât razele X sunt cea mai bună modalitate de a găsi și caracteriza clustere, cele mai multe studii de urmat au fost până acum limitate la grupuri relativ apropiate și grupuri de galaxii.
"Având în vedere cataloagele fără precedent furnizate de XMM-Newton, am putut extinde măsurători ale masei la structuri mult mai mici, care au existat mult mai devreme în istoria Universului", spune Alexie Leauthaud, din Divizia de fizică a lui Berkeley Lab, primul autor al studiul ApJ.
Obiectivul gravitațional are loc deoarece masa curbește spațiul din jurul său, îndoind calea luminii: cu cât este mai multă masă (și cu cât este mai aproape de centrul de masă), cu atât mai mult spațiu se îndoaie și cu atât imaginea unui obiect îndepărtat este deplasată și distorsionat. Astfel, măsurarea distorsiunii, sau „forfecare”, este esențială pentru măsurarea masei obiectului de obiectiv.
În cazul lentilelor gravitaționale slabe (așa cum este utilizat în acest studiu), forfecarea este prea subtilă pentru a fi văzută în mod direct, dar slab denaturarea suplimentară într-o colecție de galaxii îndepărtate poate fi calculată statistic, iar forfecarea medie datorită lentilării unor masive obiectul din fața lor poate fi calculat. Cu toate acestea, pentru a calcula masa obiectivului din forfecarea medie, trebuie să-i cunoaștem centrul.
„Problema cu grupurile de viteze mari este că este dificil să se stabilească exact ce galaxie se află în centrul clusterului”, spune Leauthaud. „Acolo ajută radiografiile. Luminozitatea radiografiei dintr-un cluster galaxic poate fi folosită pentru a-și găsi centrul foarte precis. "
Cunoscând centrii de masă din analiza emisiilor de raze X, Leauthaud și colegii ar putea folosi apoi lentile slabe pentru a estima masa totală a grupurilor și grupurilor îndepărtate cu o precizie mai mare ca niciodată.
Ultima etapă a fost determinarea luminozității radiografiei a fiecărui grup de galaxii și trasarea acesteia împotriva masei determinate din lentila slabă, relația maso-luminozitate rezultantă pentru noua colecție de grupuri și clustere extinzând studiile anterioare la mase mai mici și mai mari redshifts. În cadrul incertitudinii calculabile, relația urmează aceeași pantă dreaptă de la grupări de galaxii din apropiere la cele îndepărtate; un simplu factor de scalare consistentă raportează masa totală (baryonic plus întuneric) a unui grup sau cluster la luminozitatea radiografiei sale, acesta din urmă măsurând singură masa baryonică.
„Confirmând relația masă-luminozitate și extinzând-o la redshift-uri ridicate, am făcut un mic pas în direcția corectă spre utilizarea lentilelor slabe ca instrument puternic pentru a măsura evoluția structurii”, spune Jean-Paul Kneib, coautor din lucrarea ApJ de la LAM și Centrul Național de Cercetări Științifice din Franța (CNRS).
Originea galaxiilor poate fi urmărită până la ușoare diferențe în densitatea Universului fierbinte și timpuriu; urmele acestor diferențe pot fi încă văzute ca diferențe minime de temperatură pe fundalul microundelor cosmice (CMB) - puncte fierbinți și reci.
„Variațiile pe care le observăm în cerul antic cu microunde reprezintă amprentele care s-au dezvoltat de-a lungul timpului pe schela cosmică a materiei întunecate pentru galaxiile pe care le vedem astăzi”, spune George Smoot, directorul Centrului pentru fizică cosmologică Berkeley (BCCP), profesor de fizică la Universitatea din California din Berkeley și membru al Diviziei de fizică a Laboratorului Berkeley. Smoot a împărțit Premiul Nobel pentru fizică din 2006 pentru măsurarea anisotropiilor în CMB și este unul dintre autorii lucrării ApJ. „Este foarte interesant că putem măsura efectiv cu lentile gravitaționale modul în care materia întunecată s-a prăbușit și a evoluat de la început.”
Un obiectiv în studierea evoluției structurii este înțelegerea materiei întunecate în sine și modul în care aceasta interacționează cu materia obișnuită pe care o putem vedea. Un alt obiectiv este să înveți mai multe despre energia întunecată, fenomenul misterios care împinge materia în afară și determină Universul să se extindă într-un ritm accelerat. Multe întrebări rămân fără răspuns: energia întunecată este constantă sau este dinamică? Sau este doar o iluzie cauzată de o limitare în teoria generală a relativității a lui Einstein?
Instrumentele oferite de relația extinsă de luminozitate masă vor face mult pentru a răspunde acestor întrebări cu privire la rolurile opuse ale gravitației și energiei întunecate în conturarea Universului, acum și în viitor.
Surse: ESA și o lucrare publicată în numărul de 20 ianuarie 2010 al Jurnalului Astrofizic (arXiv: 0910.5219 este amprenta)
