Friske røntgenstråler afslører et univers så klumpet som kosmologi forudsiger | Quanta Magasinet

Klynger af hundreder eller tusinder af galakser sidder ved skæringspunkterne mellem gigantiske, krydsende filamenter af stof, der danner kosmos gobelin. Efterhånden som tyngdekraften trækker alt i hver galaksehob mod dets centrum, bliver gassen, der fylder rummet mellem galakserne, komprimeret, hvilket får den til at varme op og gløde i røntgenstråler.

eRosita røntgenteleskopet, der blev løftet op i rummet i 2019, brugte mere end to år på at indsamle pings af højenergilys fra hele himlen. Dataene har gjort det muligt for videnskabsmænd at kortlægge placeringer og størrelser af tusindvis af galaksehobe, to tredjedele af dem hidtil ukendte. I en masse papirer lagt på nettet den 14. februar, der vil blive vist i journalen Astronomi og astrofysik, brugte forskerne deres første katalog over klynger til at veje ind i flere af kosmologiens store spørgsmål.

Resultaterne inkluderer nye estimater af klumpetheden i kosmos - et meget omtalt kendetegn på det seneste, som andre nylige målinger har fundet ud af, at den er uventet glat - og af masserne af spøgelseslignende partikler kaldet neutrinoer og af en nøgleegenskab ved mørk energi, den mystiske frastødende energi, der fremskynder universets udvidelse.

Kosmologers regerende model af universet identificerer mørk energi som selve rummets energi og fastgør den til 70 % af universets indhold. Yderligere en fjerdedel af universet er usynligt mørkt stof, og 5 % er almindeligt stof og stråling. Det hele udvikler sig under tyngdekraften. Men nogle observationer fra det sidste årti trodser denne "standardmodel" for kosmologi, hvilket øger muligheden for, at modellen mangler ingredienser eller effekter, der kunne indlede en dybere forståelse.

eRosita-observationerne styrker derimod det eksisterende billede på alle punkter. "Det er en bemærkelsesværdig bekræftelse af standardmodellen," sagde Dragan Huterer, en kosmolog ved University of Michigan, som ikke var involveret i arbejdet.

Røntgenbillede af kosmos

Efter Big Bang blev subtile tæthedsvariationer i det nyfødte univers gradvist mere udtalte, efterhånden som stofpartikler glødede på hinanden. De tættere klumper trak mere materiale ind og voksede sig større. I dag er galaksehobe de største gravitationsbundne strukturer i kosmos. Ved at bestemme deres størrelser og fordeling lader kosmologer teste deres model af, hvordan universet udviklede sig.

For at finde klynger trænede eRosita-teamet en computeralgoritme til at lede efter "virkelig fluffy" røntgenkilder i modsætning til punktlignende objekter, sagde Esra Bulbul fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland, som ledede eRositas klyngeobservationer. De reducerede en liste over kandidater til en "ekstremt ren prøve," sagde hun, af 5,259 galaksehobe ud af de næsten 1 million kilder til røntgenstråler, som teleskopet opdagede.

De skulle så finde ud af, hvor tunge disse klynger er. Massive objekter bøjer rum-tidens stof, ændrer retningen af ​​det passerende lys og får lyskilden til at virke forvrænget - et fænomen kaldet gravitationslinser. eRosita-forskerne kunne beregne masserne af nogle af deres 5,259 klynger baseret på linser fra fjernere galakser, der sidder bag dem. Mens kun en tredjedel af deres hobe havde kendt baggrundsgalakser på denne måde, fandt forskerne ud af, at hobens masse korrelerede stærkt med lysstyrken af ​​deres røntgenstråler. På grund af denne stærke korrelation kunne de bruge lysstyrke til at estimere masserne af de resterende klynger.

De førte derefter masseinformationen ind i computersimuleringer af det udviklende kosmos for at udlede værdierne af kosmiske parametre.

Måler klumpet

Et nummer af interesse er universets "klumphedsfaktor", S₈. En S₈ værdien nul ville repræsentere en enorm kosmisk intethed, beslægtet med en flad slette med næsten en sten i sigte. An S₈ værdi tættere på 1 svarer til stejle bjerge, der truer over dybe dale. Forskere har vurderet S₈ baseret på målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) - gammelt lys, der kommer fra det tidlige univers. Ekstrapolering fra kosmos oprindelige tæthedsvariationer forventer forskerne strømmen S₈ værdi til at være 0.83.

Men seneste undersøgelser ser på galakser i dag har målt værdier 8% til 10% lavere, hvilket antyder, at universet er uventet glat. Denne uoverensstemmelse har fascineret kosmologer, hvilket potentielt peger på revner i den standard kosmologiske model.

eRosita-teamet fandt dog ingen sådan uoverensstemmelse. "Vores resultat var dybest set i overensstemmelse med forudsigelsen fra den meget tidlige tid, fra CMB," sagde Vittorio Ghirardini, der ledede analysen. Han og hans kolleger beregnede en S₈ af 0.85.

Nogle teammedlemmer var skuffede, sagde Ghirardini, da antydning af manglende ingredienser var en mere spændende udsigt end at matche den kendte teori.

S₈ værdi, der sidder en anelse højere end CMB-estimatet, vil sandsynligvis udløse flere analyser fra andre hold, sagde Gerrit Schellenberger, en astrofysiker, der studerer galaksehobe ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Jeg tror, ​​det nok ikke er det sidste papir, vi har set om det emne."

Vejning af neutrinoer

Rigelige neutrinoer dannet i det tidlige univers - næsten lige så mange som fotoner (lyspartikler), sagde Marilena Loverde, en kosmolog ved University of Washington. Men fysikere ved, at neutrinoer, i modsætning til fotoner, skal have små masser på grund af hvordan de svinger mellem tre typer. Partiklerne opnår ikke masse gennem den samme mekanisme som andre elementære partikler, så deres masse er et meget undersøgt mysterium. Og det første spørgsmål er, hvor massive de faktisk er.

Kosmologer kan estimere massen af ​​neutrinoer ved at studere deres virkninger på strukturen af ​​kosmos. Neutrinoer glider rundt med næsten lysets hastighed og passerer lige gennem andet stof i stedet for at glomme ind på det. Så deres tilstedeværelse i kosmos har svækket dets klumphed. "Jo mere masse du lægger på neutrinoer, jo mere af massen er glat på de [store] skalaer," sagde Loverde.

Ved at kombinere deres galaksehobe-målinger med CMB-målinger vurderede eRosita-holdet, at summen af ​​masserne af de tre typer neutrinoer ikke er mere end 0.11 elektronvolt (eV), eller mindre end en milliontedel af en elektrons masse. Andre neutrino-eksperimenter har etableret en nedre grænse, hvilket viser, at de tre neutrinomasser skal summeres til mindst 0.06 eV (for en mulig rækkefølge af de tre masseværdier) eller 0.1 eV (for den omvendte rækkefølge). Efterhånden som afstanden skrumper mellem de øvre og nedre grænser, kommer forskerne tættere på at udpege værdien af ​​neutrinomassen. "Vi er faktisk på randen af ​​at lave et gennembrud," sagde Bulbul. I efterfølgende dataudgivelser kunne eRosita-teamet skubbe den øvre grænse nok ned til at udelukke neutrinomassemodellerne i omvendt orden.

Forsigtighed er berettiget. Alle andre hurtige, lette partikler, der måtte eksistere - som f.eks aksioner, hypotetiske partikler foreslået som kandidater til mørkt stof - ville have de samme virkninger på strukturdannelse. Og de ville introducere fejl i neutrinomassemålingen.

Sporing af mørk energi

Galakseklyngemålinger kan ikke blot afsløre, hvordan strukturer voksede, men også hvordan deres vækst blev hæmmet af mørk energi - den tynde glasur af frastødende energi, der gennemtrænger rummet, accelererer rummets ekspansion og derved adskiller stof.

Hvis mørk energi er selve rummets energi, som standardmodellen for kosmologi antager, så vil den have en konstant tæthed gennem rum og tid (det er derfor, det nogle gange omtales som den kosmologiske konstant). Men hvis dens tæthed i stedet falder over tid, så er det noget helt andet. "Det er det største spørgsmål, som kosmologi har," sagde Sebastian Grandis, et eRosita-teammedlem ved universitetet i Innsbruck i Østrig.

Fra deres kort over tusindvis af klynger fandt forskerne, at mørk energi matcher profilen af ​​en kosmologisk konstant, selvom deres måling har en usikkerhed på 10 %, så en aldrig så lidt varierende mørk energitæthed forbliver mulig.

Oprindeligt skulle eRosita, som sidder ombord på et russisk rumfartøj, udføre otte undersøgelser af fuld himmel, men i februar 2022, uger efter at teleskopet begyndte sin femte undersøgelse, invaderede Rusland Ukraine. Som svar satte den tyske side af samarbejdet, som driver og driver eRosita, teleskopet i sikker tilstand og standsede alle videnskabelige observationer.

Disse indledende papirer stammer fra kun de første seks måneders data. Den tyske gruppe forventer at finde omkring fire gange så mange galaksehobe i de yderligere 1.5 års observationer, hvilket vil gøre det muligt at udpege alle disse kosmologiske parametre med mere nøjagtighed. "Klyngekosmologi kunne være den mest følsomme sonde inden for kosmologi bortset fra CMB," sagde Anja von der Linden, en astrofysiker ved Stony Brook University.

Deres første resultater demonstrerer styrken af ​​en relativt uudnyttet informationskilde. "Vi er lidt af det nye barn på blokken," sagde Grandis.