Galetetetthet i Cosmic Evolution Survey (COSMOS) -feltet, med farger som representerer rødskiftet til galaksene, alt fra rødskift på 0,2 (blå) til 1 (rød). Rosa røntgenkonturer viser den utvidede røntgenemisjonen som observert av XMM-Newton.
Mørk materie (faktisk kald, mørk - ikke-baryonisk materie) kan bare oppdages ved gravitasjonspåvirkning. I klynger og grupper av galakser viser den påvirkningen seg som svak gravitasjonslinsing, som er vanskelig å spikre. En måte å mye mer nøyaktig anslå graden av gravitasjonslinsing - og dermed fordelingen av mørk materie - er å bruke røntgenutslippet fra det varme intra-klynge-plasmaet for å lokalisere massesenteret.
Og det er nettopp det et team av astronomer nylig har gjort ... og de har for første gang gitt oss et grep om hvordan mørk materie har utviklet seg de siste mange milliarder årene.
COSMOS er en astronomisk undersøkelse designet for å undersøke dannelsen og utviklingen av galakser som en funksjon av kosmisk tid (rødforskyvning) og storskala strukturmiljø. Undersøkelsen dekker et ekvatorialfelt med 2 kvadratgrader med avbildning av de fleste av de store rombaserte teleskopene (inkludert Hubble og XMM-Newton) og et antall bakkebaserte teleskoper.
Å forstå arten av mørk materie er et av de viktigste åpne spørsmålene i moderne kosmologi. I en av tilnærmingene som brukes for å ta opp dette spørsmålet, bruker astronomer forholdet mellom masse og lysstyrke som er funnet for klynger av galakser som knytter sammen røntgenutslippene deres, en indikasjon på massen til den vanlige ("baryoniske") saken alene ( selvfølgelig inkluderer baryonisk materiale elektroner, som er leptoner!), og deres totale masser (baryon pluss mørk materie) bestemt av gravitasjonslinsing.
Til dags dato er forholdet bare opprettet for nærliggende klynger. Nytt arbeid av et internasjonalt samarbeid, inkludert Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Laboratory of Astrophysics of Marseilles (LAM), og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har gjort store fremskritt i å utvide forholdet til mer fjern og mindre strukturer enn tidligere var mulig.
For å etablere koblingen mellom røntgenutslipp og underliggende mørk materie, brukte teamet en av de største prøvene av røntgenvalgte grupper og klynger av galakser, produsert av ESAs røntgenobservatorium, XMM-Newton.
Grupper og klynger av galakser kan bli funnet effektivt ved å bruke deres utvidede røntgenemisjon på sub-arcminute skalaer. Som et resultat av det store, effektive området, er XMM-Newton det eneste røntgen-teleskopet som kan oppdage det svake utslippsnivået fra fjerne grupper og galakser.
"XMM-Newtons evne til å skaffe store kataloger over galakagrupper i dype felt er forbløffende," sa Alexis Finoguenov fra MPE og University of Maryland, en medforfatter av det siste papiret fra Astrophysical Journal (ApJ) som rapporterte teamets resultater.
Siden røntgenbilder er den beste måten å finne og karakterisere klynger på, har de fleste oppfølgingsstudier til nå vært begrenset til relativt nærliggende grupper og klynger av galakser.
"Gitt de enestående katalogene levert av XMM-Newton, har vi vært i stand til å utvide målinger av masse til mye mindre strukturer, som eksisterte mye tidligere i universets historie," sier Alexie Leauthaud fra Berkeley Labs fysikkdivisjon, den første forfatteren av ApJ-studien.
Gravitasjonslinsing skjer fordi massen krummer rommet rundt det, og bøyer lysbanen: jo mer masse (og jo nærmere det er massesenteret), jo mer plass bøyes, og desto mer blir bildet av en fjern gjenstand fortrengt og forvrengt. Dermed er måling av forvrengning, eller ‘skjær’, nøkkelen til å måle linsegjenstandens masse.
Ved svak gravitasjonslinsering (som brukt i denne studien) er skjæret for subtilt til å kunne sees direkte, men svake ytterligere forvrengninger i en samling av fjerne galakser kan beregnes statistisk, og gjennomsnittlig skjær på grunn av linsen til noen massive objekt foran seg kan beregnes. For å beregne linsens masse fra gjennomsnittlig skjær, trenger man imidlertid å kjenne til sentrum.
"Problemet med høye rødforskyvninger er at det er vanskelig å bestemme nøyaktig hvilken galakse som ligger i midten av klyngen," sier Leauthaud. "Det er der røntgenbilder hjelper. Røntgenlysstyrken fra en galakse-klynge kan brukes til å finne sentrum veldig nøyaktig. "
Når de kjente til massesentrene fra analysen av røntgenutslipp, kunne Leauthaud og kolleger deretter bruke svak linseing for å estimere den totale massen til fjerne grupper og klynger med større nøyaktighet enn noen gang før.
Det siste trinnet var å bestemme røntgenlys-lysstyrken til hver galakse-klynge og plotte den mot massen som ble bestemt fra den svake linse, med den resulterende masse-lysstyrke-relasjonen for den nye samlingen av grupper og klynger som utvidet tidligere studier til lavere masser og høyere rødforsyvningen. Innen beregnet usikkerhet følger forholdet den samme rette skråningen fra nærliggende galakse-klynger til fjerne; en enkel konsistent skaleringsfaktor knytter den totale massen (baryon pluss mørk) til en gruppe eller klynge til dens røntgenlysstyrke, idet sistnevnte måler baryonmassen alene.
"Ved å bekrefte masselysinitetsforholdet og utvide det til høye rødforskyvninger, har vi tatt et lite skritt i riktig retning mot å bruke svak linseing som et kraftig verktøy for å måle utviklingen av struktur," sier Jean-Paul Kneib, en medforfatter av ApJ-papiret fra LAM og Frankrikes nasjonale senter for vitenskapelig forskning (CNRS).
Opprinnelsen til galakser kan spores tilbake til små forskjeller i tettheten til det varme, tidlige universet; spor av disse forskjellene kan fremdeles sees som små temperaturforskjeller i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) - varme og kalde steder.
"Variasjonene vi observerer på den eldgamle mikrobølgehimmelen, representerer avtrykkene som utviklet seg over tid til det kosmiske stillasetet til mørke stoffer for galaksene vi ser i dag," sier George Smoot, direktør for Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), en professor av fysikk ved University of California i Berkeley, og medlem av Berkeley Labs fysikkdivisjon. Smoot delte Nobelprisen i fysikk i 2006 for å måle anisotropier i CMB og er en av forfatterne av ApJ-papiret. "Det er veldig spennende at vi faktisk kan måle med gravitasjonslinser hvordan den mørke saken har kollapset og utviklet seg siden begynnelsen."
Et mål i å studere utviklingen av struktur er å forstå mørk materie i seg selv, og hvordan den interagerer med den vanlige saken vi kan se. Et annet mål er å lære mer om mørk energi, det mystiske fenomenet som skyver materien fra hverandre og får universet til å utvide seg med en akselererende hastighet. Mange spørsmål forblir ubesvarte: Er mørk energi konstant, eller er den dynamisk? Eller er det bare en illusjon forårsaket av en begrensning i Einsteins generelle relativitetsteori?
Verktøyene som leveres av det utvidede forholdet mellom masselysthet og styrke vil gjøre mye for å svare på disse spørsmålene om de motsatte rollene tyngdekraft og mørk energi i utformingen av universet, nå og i fremtiden.
Kilder: ESA, og et papir som ble publisert i utgaven 20. januar 2010 av Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 er forhåndstrykket)
