Плътност на галактиката в полето за космическа еволюция (COSMOS), с цветове, представляващи червено изместване на галактиките, вариращи от червено изместване от 0,2 (синьо) до 1 (червено). Розовите рентгенови контури показват удължената рентгенова емисия, наблюдавана от XMM-Newton.
Тъмната материя (всъщност студена, тъмна - немарионна - материя) може да бъде открита само чрез нейното гравитационно влияние. В клъстери и групи от галактики това влияние се проявява като слабо гравитационно лещиране, което е трудно да се намали. Един от начините да се оцени много по-точно степента на гравитационно лещиране - и така разпределението на тъмната материя - е да се използва рентгеновото излъчване от горещата вътрепластична плазма за локализиране на центъра на масата.
И това е точно това, което наскоро направи екип от астрономи ... и те за първи път ни дадоха сметка как се развива тъмната материя през последните много милиарди години.
COSMOS е астрономическо проучване, предназначено да проучи формирането и еволюцията на галактиките като функция на космическото време (червено изместване) и структурна среда в големи мащаби. Проучването обхваща екваториално поле от 2 квадратни градуса с изображения от повечето основни космически телескопи (включително Хъбъл и XMM-Нютон) и редица наземни телескопи.
Разбирането на природата на тъмната материя е един от ключовите открити въпроси в съвременната космология. В един от подходите, използвани за решаване на този въпрос, астрономите използват връзката между масата и светимостта, която е открита за струпвания на галактики, свързващи рентгеновите им емисии, индикация за масата само на обикновената („барионна“) материя ( разбира се, барионната материя включва електрони, които са лептони!), и общата им маса (барионова плюс тъмна материя), определена чрез гравитационно лещиране.
Към днешна дата връзката е установена само за близки клъстери. Нова работа на международно сътрудничество, включително Института за извънземна физика на Макс Планк (MPE), Лабораторията по астрофизика на Марсилия (LAM) и Националната лаборатория на Лорънс Беркли (Berkeley Lab), постигна значителен напредък в разширяването на връзката към по-далечни и по-малки структури, отколкото е било възможно по-рано.
За да установи връзката между рентгеновата емисия и основата на тъмната материя, екипът използва една от най-големите проби от избрани от рентгенови групи и групи от галактики, произведени от рентгеновата обсерватория на ESA, XMM-Newton.
Групите и клъстерите от галактики могат да бъдат ефективно открити, като се използва тяхната разширена рентгенова емисия на скалата на суб-арминут. В резултат на голямата си ефективна площ, XMM-Newton е единственият рентгенов телескоп, който може да открие слабото ниво на излъчване от далечни групи и групи от галактики.
„Способността на XMM-Newton да предоставя големи каталози на галактически групи в дълбоки полета е изумителна“, казва Алексис Финогуенов от MPE и Университета в Мериленд, съавтор на неотдавнашния документ на Astrophysical Journal (ApJ), който съобщава за екипа на резултати.
Тъй като рентгеновите лъчи са най-добрият начин за намиране и характеризиране на клъстери, повечето последващи проучвания досега са били ограничени до сравнително близки групи и клъстери от галактики.
„Като се има предвид безпрецедентните каталози, предоставени от XMM-Newton, ние успяхме да разширим измерванията на масата до много по-малки структури, които са съществували много по-рано в историята на Вселената“, казва Алекси Леутхауд от отдела по физика на Berkeley Lab, първият автор на проучването ApJ.
Гравитационното обективиране се получава, защото масата криви пространството около него, огъвайки пътя на светлината: колкото повече маса (и колкото е по-близо до центъра на масата), толкова повече пространство се огъва и толкова повече се измества изображението на отдалечен обект и изкривен. По този начин измерването на изкривяването или „срязването“ е от ключово значение за измерването на масата на обектива на обектива.
В случай на слабо гравитационно лещиране (както се използва в това проучване), срязването е твърде фино, за да се види директно, но слабо допълнително изкривяване в колекция от далечни галактики може да бъде изчислено статистически, а средното срязване поради обективността на някои масивни обект пред тях може да се изчисли. За да се изчисли масата на лещата от средното срязване обаче, трябва да се знае нейният център.
„Проблемът с клъстерите с високо червено изместване е, че е трудно да се определи точно коя галактика лежи в центъра на клъстера“, казва Лиут. „Точно тук помагат рентгеновите лъчи. Светимостта на рентгеновите лъчи от галактически клъстер може да се използва, за да се намери центъра му много точно. "
Познавайки центровете на маса от анализа на рентгеновата емисия, тогава Леутхо и колегите му биха могли да използват слаби лещи, за да оценят общата маса на отдалечените групи и групи с по-голяма точност от всякога.
Последната стъпка беше да се определи рентгеновата светимост на всеки галактически клъстер и да се очертае спрямо масата, определена от слабата леща, като получената връзка между светимостта на масата за новата колекция от групи и клъстери разшири предишните проучвания до по-ниски маси и по-високи червеното отместване. В рамките на изчислимата несигурност, отношението следва същия прав наклон от близките клъстери на галактиката към отдалечените; прост последователен мащабиращ коефициент свързва общата маса (барионна и тъмна) на група или клъстер към нейната рентгенова яркост, като последният измерва барионната маса сама.
„Потвърждавайки връзката между масите и светимостта и я разширяваме до високи червени смени, направихме малка стъпка в правилната посока към използване на слаби лещи като мощен инструмент за измерване на еволюцията на структурата“, казва Жан-Пол Кнайб, съавтор на документа ApJ от LAM и Франция Национален център за научни изследвания (CNRS).
Произходът на галактиките може да се проследи до леки разлики в плътността на горещата, ранна Вселена; следи от тези различия все още могат да се видят като минутни температурни разлики в космическия микровълнов фон (CMB) - топли и студени петна.
„Вариациите, които наблюдаваме в древното микровълново небе, представляват отпечатъците, които са се развили с течение на времето в космическото скеле на тъмната материя за галактиките, които виждаме днес“, казва Джордж Смоут, директор на Центъра за космологична физика в Бъркли (BCCP), професор по физика в Калифорнийския университет в Бъркли и член на отдела по физика на Беркли Лаб. Smoot сподели Нобелова награда за физика за 2006 г. за измерване на анизотропии в CMB и е един от авторите на доклада ApJ. "Много е вълнуващо, че всъщност можем да измерим с гравитационните лещи как тъмната материя се е срутила и еволюирала от самото начало."
Една цел при изучаването на еволюцията на структурата е да разберем самата тъмна материя и как тя взаимодейства с обикновената материя, която можем да видим. Друга цел е да научите повече за тъмната енергия, за мистериозното явление, което раздвижва материята на разстояние и кара Вселената да се разширява с ускоряваща се скорост. Много въпроси остават без отговор: Постоянна ли е тъмната енергия или е динамична? Или това е просто илюзия, породена от ограничение в Общата теория на относителността на Айнщайн?
Инструментите, предоставени от разширената връзка между масите и светимостта, ще направят много, за да отговорят на тези въпроси за противоположните роли на гравитацията и тъмната енергия при оформянето на Вселената, сега и в бъдеще.
Източници: ESA и документ, публикуван в броя на 20 януари 2010 г. на Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 е предпечатът)
