Gostota galaksije v polju raziskovanja kozmične evolucije (COSMOS) z barvami, ki predstavljajo rdeč premik galaksij, v razponu od rdečega premika 0,2 (modra) do 1 (rdeča). Rožnate konture rentgenskih žarkov kažejo razširjeno rentgensko oddajanje, kot ga opaža XMM-Newton.
Temno snov (pravzaprav hladno, temno - nebarionsko - snov) lahko zaznamo le z njenim gravitacijskim vplivom. V grozdih in skupinah galaksij se ta vpliv kaže kot šibko gravitacijsko lečo, ki jo je težko odrezati. Eden od načinov za bolj natančno oceno stopnje gravitacijske leče - in s tem razporeditve temne snovi - je uporaba rentgenske emisije iz vroče plazme znotraj grozda za iskanje središča mase.
In to je ravno tisto, kar je ekipa astronomov pred kratkim storila… in prvič so nam pomagali, kako se je temna snov razvijala v zadnjih številnih milijardah let.
COSMOS je astronomska raziskava, namenjena preizkušanju nastanka in evolucije galaksij kot funkcije kozmičnega časa (rdeče premikanje) in strukturnega okolja velikega obsega. Raziskava zajema 2 kvadratno stopinjsko ekvatorialno polje s slikanjem večine glavnih vesoljskih teleskopov (vključno s Hubblom in XMM-Newtonom) ter številnimi zemeljskimi teleskopi.
Razumevanje narave temne snovi je eno ključnih odprtih vprašanj sodobne kozmologije. V enem od pristopov, ki se uporabljajo za reševanje tega vprašanja, astronomi uporabljajo razmerje med maso in svetilnostjo, ki je bilo ugotovljeno za grozde galaksij, ki povezujejo njihove rentgenske žarke, kar kaže samo maso navadne („barionske“) snovi ( Seveda barionska snov vključuje elektrone, ki so leptoni!) in njihove skupne mase (barionski plus temna snov), ki jih določa gravitacijsko lečenje.
Do danes je bila povezava vzpostavljena samo za bližnje grozde. Novo delo mednarodnega sodelovanja, vključno z Inštitutom Max Planck za nezemeljsko fiziko (MPE), Laboratorijem astrofizike Marseillesa (LAM) in Nacionalnim laboratorijem Lawrencea Berkeleyja (Berkeley Lab), je doseglo velik napredek pri razširitvi razmerja na bolj oddaljene in manjše strukture, kot je bilo prej mogoče.
Da bi vzpostavili povezavo med oddajanjem rentgenskih žarkov in osnovno temno snovjo, je skupina uporabila enega največjih vzorcev rentgensko izbranih skupin in skupin galaksij, ki jih je izdelal ESA-jev rentgenski observatorij, XMM-Newton.
Skupine in grozde galaksij je mogoče učinkovito najti s pomočjo njihove razširjene rentgenske emisije na lestvicah pod arkadinuta. Zaradi velikega učinkovitega območja je XMM-Newton edini rentgenski teleskop, ki lahko zazna šibko raven emisije iz oddaljenih skupin in grozdov galaksij.
"Zmožnost XMM-Newtona, da ponuja velike kataloge galaksijskih skupin na globokih poljih, je presenetljiva," je dejal Alexis Finoguenov iz MPE in univerze v Marylandu, soavtor nedavnega dokumenta Astrophysical Journal (ApJ), ki je poročal o ekipi rezultati.
Ker so rentgenski žarki najboljši način za iskanje in karakterizacijo grozdov, je bila večina nadaljnjih študij do zdaj omejena na relativno bližnje skupine in grozde galaksij.
"Glede na brez primere katalogov, ki jih ponuja XMM-Newton, smo lahko meritve mase razširili na veliko manjše strukture, ki so obstajale veliko prej v zgodovini vesolja," pravi Alexie Leauthaud iz oddelka za fiziko Berkeley Lab, prvi avtor knjige študijo ApJ.
Gravitacijsko lečo nastane, ker masa ukrivi prostor okoli sebe in upogne pot svetlobe: večja masa (in bližje je središču mase), več prostora se upogne in bolj se potisne podoba oddaljenega predmeta in popačeno. Tako je merjenje popačenja ali „striženja“ ključno za merjenje mase lečečega predmeta.
V primeru šibkega gravitacijskega lečenja (kot ga uporabljamo v tej študiji) je striženje preveč subtilno, da bi ga bilo mogoče videti neposredno, vendar se lahko statistično izračunajo šibka dodatna popačenja v zbirki oddaljenih galaksij, povprečno striženje pa zaradi lečenja nekaterih masivnih objekt pred njimi je mogoče izračunati. Vendar pa je za izračun mase leče iz povprečnega striženja potrebno vedeti njeno središče.
"Težava z velikimi rdečimi premiki je, da je težko natančno določiti, katera galaksija leži v središču grozda," pravi Leauthaud. "Tu pomagajo rentgenski žarki. Svetilnost rentgenskih žarkov galaksije lahko uporabimo za natančno iskanje njegovega središča. "
Ko so poznali centre množičnosti iz analize rentgenske emisije, bi Leauthaud in sodelavci lahko uporabili šibke leče za oceno skupne mase oddaljenih skupin in skupin z večjo natančnostjo kot kdaj koli prej.
Končni korak je bil določiti rentgensko svetilnost vsakega grupja galaksije in ga narisati glede na maso, določeno iz šibke leče, s posledičnim razmerjem med maso in svetilnostjo za novo zbirko skupin in grozdov pa so prejšnje študije razširile na nižje mase in višje rdeči premiki. Znotraj izračunane negotovosti razmerje sledi enakemu pobočju od bližnjih skupin galaksij do oddaljenih; preprost skladen faktor lestvice povezuje celotno maso (barionski plus temen) skupine ali gruče na njeno svetlost rentgenskih žarkov, pri čemer slednji meri samo barionsko maso.
"S potrditvijo razmerja med svetilnostjo in razširitvijo na visoke rdeče premike smo naredili majhen korak v pravo smer k uporabi šibkih leč kot močnega orodja za merjenje razvoja strukture," pravi Jean-Paul Kneib soavtor dokumenta ApJ iz LAM-a in Francoskega nacionalnega centra za znanstveno raziskovanje (CNRS).
Izvor galaksij je mogoče zaslediti do majhnih razlik v gostoti vročega, zgodnjega Vesolja; sledi teh razlik lahko še vedno vidimo kot minutne temperaturne razlike v kozmičnem mikrovalovnem ozadju (CMB) - vročih in hladnih žariščih.
"Različice, ki jih opazimo na starodavnem mikrovalovnem nebu, predstavljajo odtise, ki so se sčasoma razvili v kozmična odrivanja temne snovi za galaksije, ki jih vidimo danes," pravi George Smoot, direktor Berkeley centra za kozmološko fiziko (BCCP), profesor fizike na kalifornijski univerzi v Berkeleyju in član oddelka za fiziko Berkeley Lab. Smoot je leta 2006 podelil Nobelovo nagrado za fiziko za merjenje anizotropij v CMB in je eden izmed avtorjev prispevka ApJ. "Zelo razburljivo je, da lahko z gravitacijskim lečanjem dejansko merimo, kako se je temna snov zrušila in razvijala od začetka."
Eden od ciljev pri preučevanju evolucije strukture je razumevanje same temne snovi in njeno interakcijo z navadno snovjo, ki jo lahko vidimo. Drug cilj je izvedeti več o temni energiji, skrivnostnem pojavu, ki potisne zadevo narazen in povzroči, da se vesolje širi s pospeševanjem. Številna vprašanja ostajajo brez odgovora: Ali je temna energija konstantna ali je dinamična? Ali je to zgolj iluzija, ki jo povzroča omejitev v Einsteinovi splošni teoriji relativnosti?
Orodja, ki jih ponuja razširjeno razmerje med svetilnostjo in maso, bodo veliko pomagala odgovoriti na ta vprašanja o nasprotnih vlogah gravitacije in temne energije pri oblikovanju Vesolja, zdaj in v prihodnosti.
Viri: ESA in članek, objavljen v številki časopisa Astrophysical Journal z dne 20. januarja 2010 (arXiv: 0910.5219 je tisk)
