Melkwegdichtheid in het veld Cosmic Evolution Survey (COSMOS), met kleuren die de roodverschuiving van de sterrenstelsels vertegenwoordigen, variërend van roodverschuiving van 0,2 (blauw) tot 1 (rood). Roze röntgencontouren tonen de verlengde röntgenemissie zoals waargenomen door XMM-Newton.
Donkere materie (eigenlijk koude, donkere - niet-baryonische - materie) kan alleen worden gedetecteerd door de zwaartekracht. In clusters en groepen van sterrenstelsels komt die invloed naar voren als een zwakke zwaartekrachtlens, die moeilijk vast te pinnen is. Een manier om de mate van zwaartekrachtlensing - en dus de verdeling van donkere materie - veel nauwkeuriger in te schatten, is door de röntgenstraling van het hete intra-clusterplasma te gebruiken om het massamiddelpunt te lokaliseren.
En dat is precies wat een team van astronomen onlangs heeft gedaan ... en ze hebben ons voor het eerst een handvat gegeven over hoe donkere materie de afgelopen miljarden jaren is geëvolueerd.
COSMOS is een astronomisch onderzoek dat is ontworpen om de vorming en evolutie van sterrenstelsels te onderzoeken als een functie van kosmische tijd (roodverschuiving) en grootschalige structuuromgeving. De enquête bestrijkt een equatoriaal veld van 2 vierkante graden met beeldvorming door de meeste grote ruimtetelescopen (waaronder Hubble en XMM-Newton) en een aantal op de grond gebaseerde telescopen.
Het begrijpen van de aard van donkere materie is een van de belangrijkste open vragen in de moderne kosmologie. In een van de benaderingen die worden gebruikt om deze vraag aan te pakken, gebruiken astronomen de relatie tussen massa en helderheid die is gevonden voor clusters van sterrenstelsels die hun röntgenstraling met elkaar verbinden, een indicatie van de massa van de gewone ('baryonische') materie alleen ( natuurlijk omvat baryonische materie elektronen, die leptonen zijn!), en hun totale massa (baryonische plus donkere materie) zoals bepaald door zwaartekrachtlensing.
Tot op heden is de relatie alleen tot stand gekomen voor nabijgelegen clusters. Nieuw werk van een internationale samenwerking, waaronder het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), het Laboratory of Astrophysics of Marseilles (LAM) en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), heeft grote vooruitgang geboekt bij het uitbreiden van de relatie naar verder weg en kleinere structuren dan voorheen mogelijk was.
Om de link te leggen tussen röntgenstraling en onderliggende donkere materie, gebruikte het team een van de grootste monsters van door röntgenstraling geselecteerde groepen en clusters van sterrenstelsels, geproduceerd door het ESA-röntgenobservatorium, XMM-Newton.
Groepen en clusters van sterrenstelsels kunnen effectief worden gevonden met behulp van hun uitgebreide röntgenstraling op sub-arcminuteschalen. Als gevolg van het grote effectieve oppervlak is XMM-Newton de enige röntgentelescoop die het zwakke emissieniveau van verre groepen en clusters van sterrenstelsels kan detecteren.
"Het vermogen van XMM-Newton om grote catalogi van melkweggroepen in diepe velden te leveren is verbazingwekkend", zegt Alexis Finoguenov van de MPE en de University of Maryland, co-auteur van het recente Astrophysical Journal (ApJ) -artikel dat de teamrapporten rapporteerde. resultaten.
Omdat röntgenstralen de beste manier zijn om clusters te vinden en te karakteriseren, zijn de meeste vervolgstudies tot nu toe beperkt tot relatief nabije groepen en clusters van sterrenstelsels.
"Gezien de ongekende catalogi van XMM-Newton, zijn we in staat geweest om metingen van massa uit te breiden tot veel kleinere structuren, die veel eerder in de geschiedenis van het heelal bestonden", zegt Alexie Leauthaud van Berkeley Lab's Physics Division, de eerste auteur van de ApJ-studie.
Zwaartekrachtlensing vindt plaats omdat massa de ruimte eromheen buigt en het lichtpad buigt: hoe meer massa (en hoe dichter deze zich bij het massamiddelpunt bevindt), hoe meer ruimte buigt en hoe meer het beeld van een ver verwijderd object wordt verplaatst en vervormd. Het meten van vervorming of 'afschuiving' is dus de sleutel tot het meten van de massa van het lensobject.
In het geval van zwakke zwaartekrachtlensing (zoals gebruikt in deze studie) is de afschuiving te subtiel om direct te zien, maar zwakke aanvullende vervormingen in een verzameling verre melkwegstelsels kunnen statistisch worden berekend, en de gemiddelde afschuiving als gevolg van de lensing van een aantal massieve object ervoor kan worden berekend. Om de massa van de lens te berekenen op basis van gemiddelde schuifkracht, moet je echter het midden kennen.
'Het probleem met clusters met hoge roodverschuiving is dat het moeilijk is om precies te bepalen welk sterrenstelsel zich in het midden van de cluster bevindt', zegt Leauthaud. "Dat is waar röntgenfoto's helpen. De röntgenstraalhelderheid van een melkwegcluster kan worden gebruikt om het centrum zeer nauwkeurig te vinden. ”
Omdat ze de massacentra kennen uit de analyse van röntgenstraling, kunnen Leauthaud en collega's zwakke lenzen gebruiken om de totale massa van de verre groepen en clusters nauwkeuriger dan ooit te schatten.
De laatste stap was het bepalen van de röntgenstralingshelderheid van elk cluster van sterrenstelsels en deze uitzetten tegen de massa die werd bepaald op basis van de zwakke lensing, met de resulterende relatie tussen massa en helderheid voor de nieuwe verzameling groepen en clusters die eerdere studies uitbreidde naar lagere massa's en hogere roodverschuivingen. Binnen berekenbare onzekerheid volgt de relatie dezelfde rechte helling van clusters van nabije melkwegstelsels naar verre clusters; een eenvoudige consistente schaalfactor relateert de totale massa (baryonisch plus donker) van een groep of cluster aan zijn röntgenstraalhelderheid, waarbij de laatste alleen de baryonische massa meet.
"Door de relatie tussen massa en helderheid te bevestigen en uit te breiden tot hoge roodverschuivingen, hebben we een kleine stap in de goede richting gezet om zwakke lensing te gebruiken als een krachtig instrument om de evolutie van de structuur te meten", zegt Jean-Paul Kneib, co-auteur. van het ApJ-artikel van LAM en het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek (CNRS).
De oorsprong van sterrenstelsels is terug te voeren op kleine verschillen in de dichtheid van het hete, vroege heelal; sporen van deze verschillen kunnen nog steeds worden gezien als minieme temperatuurverschillen in de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - warme en koude plekken.
"De variaties die we waarnemen in de oude microgolfhemel vertegenwoordigen de afdrukken die zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld tot de kosmische steiger van donkere materie voor de sterrenstelsels die we tegenwoordig zien", zegt George Smoot, directeur van het Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), een professor natuurkunde aan de University of California in Berkeley en lid van de Physics Division van Berkeley Lab. Smoot deelde in 2006 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor het meten van anisotropieën in de CMB en is een van de auteurs van het ApJ-artikel. "Het is heel opwindend dat we met gravitatielensing daadwerkelijk kunnen meten hoe de donkere materie sinds het begin is ingestort en geëvolueerd."
Een doel bij het bestuderen van de evolutie van structuur is het begrijpen van de donkere materie zelf en hoe deze in wisselwerking staat met de gewone materie die we kunnen zien. Een ander doel is om meer te weten te komen over donkere energie, het mysterieuze fenomeen dat materie uit elkaar duwt en ervoor zorgt dat het universum versneld uitzet. Veel vragen blijven onbeantwoord: is donkere energie constant of dynamisch? Of is het slechts een illusie die wordt veroorzaakt door een beperking in Einsteins algemene relativiteitstheorie?
De tools die worden geboden door de uitgebreide relatie tussen massa en helderheid zullen veel helpen om deze vragen over de tegengestelde rollen van zwaartekracht en donkere energie bij het vormen van het heelal, nu en in de toekomst, te beantwoorden.
Bronnen: ESA en een paper gepubliceerd in het nummer van 20 januari 2010 van het Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 is de voordruk)
