Οι φρέσκες ακτίνες Χ αποκαλύπτουν ένα σύμπαν τόσο αδύνατο όσο προβλέπει η κοσμολογία | Περιοδικό Quanta

Σμήνη εκατοντάδων ή χιλιάδων γαλαξιών κάθονται στις διασταυρώσεις γιγάντιων, διασταυρούμενων νημάτων ύλης που σχηματίζουν την ταπισερί του σύμπαντος. Καθώς η βαρύτητα έλκει τα πάντα σε κάθε σμήνος γαλαξιών προς το κέντρο του, το αέριο που γεμίζει τον χώρο μεταξύ των γαλαξιών συμπιέζεται, προκαλώντας το να θερμαίνεται και να λάμπει σε ακτίνες Χ.

Το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ eRosita, που υψώθηκε στο διάστημα το 2019, πέρασε περισσότερα από δύο χρόνια συλλέγοντας ping από φως υψηλής ενέργειας από όλο τον ουρανό. Τα δεδομένα επέτρεψαν στους επιστήμονες να χαρτογραφήσουν τις τοποθεσίες και τα μεγέθη χιλιάδων σμηνών γαλαξιών, τα δύο τρίτα των οποίων ήταν άγνωστα στο παρελθόν. Σε ένα σωρό χαρτιά δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο στις 14 Φεβρουαρίου και θα εμφανιστεί στο περιοδικό Αστρονομία & Αστροφυσική, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τον αρχικό τους κατάλογο με τα σμήνη για να σταθμίσουν πολλά από τα μεγάλα ερωτήματα της κοσμολογίας.

Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν νέες εκτιμήσεις για τη συσσωμάτωση του σύμπαντος — ένα πολυσυζητημένο χαρακτηριστικό των τελευταίων ετών, καθώς άλλες πρόσφατες μετρήσεις το βρήκαν απροσδόκητα ομαλό — και από τις μάζες των σωματιδίων που μοιάζουν με φάντασμα που ονομάζονται νετρίνα και μιας βασικής ιδιότητας της σκοτεινής ενέργειας, της μυστηριώδους απωστικής ενέργειας που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος.

Το κυρίαρχο μοντέλο των κοσμολόγων για το σύμπαν προσδιορίζει τη σκοτεινή ενέργεια ως την ενέργεια του ίδιου του διαστήματος και την προσαρμόζει στο 70% του περιεχομένου του σύμπαντος. Ένα επιπλέον ένα τέταρτο του σύμπαντος είναι αόρατη σκοτεινή ύλη και το 5% είναι συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία. Όλα αυτά εξελίσσονται υπό τη δύναμη της βαρύτητας. Ωστόσο, ορισμένες παρατηρήσεις της περασμένης δεκαετίας αψηφούν αυτό το «τυποποιημένο μοντέλο» της κοσμολογίας, αυξάνοντας την πιθανότητα ότι στο μοντέλο λείπουν συστατικά ή αποτελέσματα που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια βαθύτερη κατανόηση.

Οι παρατηρήσεις του eRosita, αντίθετα, ενισχύουν την υπάρχουσα εικόνα από όλες τις απόψεις. «Είναι μια αξιοσημείωτη επιβεβαίωση του τυπικού μοντέλου», είπε Ντράγκαν Χούτερερ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετείχε στην εργασία.

Ακτινογραφία του Κόσμου

Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι λεπτές διακυμάνσεις της πυκνότητας στο νεογέννητο σύμπαν έγιναν σταδιακά πιο έντονες καθώς τα σωματίδια της ύλης έπεφταν το ένα πάνω στο άλλο. Οι πυκνότερες συστάδες τράβηξαν περισσότερο υλικό και μεγάλωσαν. Σήμερα, τα σμήνη γαλαξιών είναι οι μεγαλύτερες βαρυτικά δεσμευμένες δομές στον κόσμο. Ο προσδιορισμός των μεγεθών και της κατανομής τους επιτρέπει στους κοσμολόγους να δοκιμάσουν το μοντέλο τους για το πώς εξελίχθηκε το σύμπαν.

Για την εύρεση συστάδων, η ομάδα eRosita εκπαίδευσε έναν αλγόριθμο υπολογιστή για να ψάχνει για «πραγματικά χνουδωτές» πηγές ακτίνων Χ σε αντίθεση με αντικείμενα που μοιάζουν με σημείο, είπε. Esra Bulbul του Ινστιτούτου Max Planck για την Εξωγήινη Φυσική στο Garching της Γερμανίας, ο οποίος ηγήθηκε των παρατηρήσεων συμπλέγματος του eRosita. Μείωσαν μια λίστα υποψηφίων σε ένα «εξαιρετικά καθαρό δείγμα», είπε, από 5,259 σμήνη γαλαξιών, από τις σχεδόν 1 εκατομμύριο πηγές ακτίνων Χ που ανίχνευσε το τηλεσκόπιο.

Στη συνέχεια έπρεπε να καταλάβουν πόσο βαριά είναι αυτά τα σμήνη. Ογκώδη αντικείμενα λυγίζουν το ύφασμα του χωροχρόνου, αλλάζοντας την κατεύθυνση του διερχόμενου φωτός και κάνοντας την πηγή του φωτός να φαίνεται παραμορφωμένη - ένα φαινόμενο που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Οι επιστήμονες του eRosita θα μπορούσαν να υπολογίσουν τις μάζες ορισμένων από τα 5,259 σμήνη τους με βάση τον φακό πιο μακρινών γαλαξιών που κάθονταν πίσω τους. Ενώ μόνο το ένα τρίτο των σμηνών τους γνώριζε ότι οι γαλαξίες του φόντου ήταν παραταγμένοι με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η μάζα του σμήνος συσχετίστηκε ισχυρά με τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ τους. Λόγω αυτής της ισχυρής συσχέτισης, θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη φωτεινότητα για να υπολογίσουν τις μάζες των υπόλοιπων συστάδων.

Στη συνέχεια τροφοδότησαν τη μαζική πληροφορία σε προσομοιώσεις υπολογιστή του εξελισσόμενου σύμπαντος για να συμπεράνουν τις τιμές των κοσμικών παραμέτρων.

Μέτρηση συσσωμάτωσης

Ένας αριθμός ενδιαφέροντος είναι ο «παράγοντας συσσωμάτωσης» του σύμπαντος, S₈. Ένα S₈ Η τιμή του μηδέν θα αντιπροσώπευε ένα τεράστιο κοσμικό τίποτα, παρόμοιο με μια επίπεδη πεδιάδα με νάρυ έναν βράχο στη θέα. Ενα S₈ Η τιμή πιο κοντά στο 1 αντιστοιχεί σε απότομα βουνά που ξεπροβάλλουν πάνω από βαθιές κοιλάδες. Οι επιστήμονες έχουν εκτιμήσει S₈ με βάση τις μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων (CMB) — αρχαίο φως που προέρχεται από το πρώιμο σύμπαν. Με παρέκταση από τις αρχικές διακυμάνσεις της πυκνότητας του σύμπαντος, οι ερευνητές αναμένουν το ρεύμα S₈ τιμή να είναι 0.83.

Αλλά πρόσφατες σπουδές κοιτάζοντας τους γαλαξίες σήμερα έχουν μετρηθεί τιμές 8% έως 10% χαμηλότερες, υπονοώντας ότι το σύμπαν είναι απροσδόκητα λείο. Αυτή η ασυμφωνία έχει ιντριγκάρει τους κοσμολόγους, υποδεικνύοντας πιθανώς ρωγμές στο τυπικό κοσμολογικό μοντέλο.

Η ομάδα eRosita, ωστόσο, δεν βρήκε τέτοια ασυμφωνία. «Το αποτέλεσμά μας ήταν βασικά σύμφωνο με την πρόβλεψη από πολύ νωρίς, από το CMB», είπε Βιτόριο Γκιραρντίνι, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης. Αυτός και οι συνάδελφοί του υπολόγισαν ένα S₈ της 0.85.

Μερικά μέλη της ομάδας ήταν απογοητευμένα, είπε ο Ghirardini, καθώς το να υπαινίσσονται τα συστατικά που λείπουν ήταν μια πιο συναρπαστική προοπτική από το να ταιριάζει με τη γνωστή θεωρία.

Το S₈ Η τιμή που κάθεται λίγο υψηλότερη από την εκτίμηση της CMB πιθανότατα θα προκαλέσει περισσότερη ανάλυση από άλλες ομάδες, είπε Gerrit Schellenberger, ένας αστροφυσικός που μελετά τα σμήνη γαλαξιών στο Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν. «Πιστεύω ότι μάλλον δεν είναι η τελευταία εφημερίδα που έχουμε δει για αυτό το θέμα».

Ζύγιση Νετρίνων

Άφθονα νετρίνα σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν - σχεδόν όσα φωτόνια (σωματίδια φωτός), είπε Μαριλένα Λοβέρδε, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Αλλά οι φυσικοί γνωρίζουν ότι τα νετρίνα, σε αντίθεση με τα φωτόνια, πρέπει να έχει μικροσκοπικές μάζες λόγω του πώς ταλαντώνονται μεταξύ τριών τύπων. Τα σωματίδια δεν αποκτούν μάζα μέσω του ίδιου μηχανισμού με άλλα στοιχειώδη σωματίδια, επομένως η μάζα τους είναι ένα πολυμελετημένο μυστήριο. Και το πρώτο ερώτημα είναι πόσο μαζικοί είναι στην πραγματικότητα.

Οι κοσμολόγοι μπορούν να υπολογίσουν τη μάζα των νετρίνων μελετώντας τις επιπτώσεις τους στη δομή του σύμπαντος. Τα νετρίνα κλείνουν με φερμουάρ σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και περνούν κατευθείαν μέσα από άλλη ύλη αντί να πέφτουν πάνω τους. Έτσι, η παρουσία τους στον Κόσμο έχει αμβλύνει τη συσσωμάτωση του. «Όσο περισσότερη μάζα βάζετε στα νετρίνα, τόσο περισσότερη μάζα είναι λεία σε αυτές τις [μεγάλες] κλίμακες», είπε ο Λοβέρντε.

Συνδυάζοντας τις μετρήσεις του σμήνος γαλαξιών με τις μετρήσεις CMB, η ομάδα eRosita υπολόγισε ότι το άθροισμα των μαζών των τριών τύπων νετρίνων δεν είναι περισσότερο από 0.11 ηλεκτρονιοβολτ (eV), ή λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Άλλα πειράματα νετρίνων έχουν καθιέρωσε ένα κατώτερο όριο, δείχνοντας ότι οι τρεις μάζες νετρίνων πρέπει να αθροίζονται τουλάχιστον σε 0.06 eV (για μία πιθανή ταξινόμηση των τριών τιμών μάζας) ή 0.1 eV (για την ανεστραμμένη σειρά). Καθώς η απόσταση μεταξύ του άνω και του κάτω ορίου συρρικνώνεται, οι επιστήμονες πλησιάζουν περισσότερο στον εντοπισμό της τιμής της μάζας των νετρίνων. «Είμαστε στην πραγματικότητα στο χείλος του να κάνουμε μια σημαντική ανακάλυψη», είπε ο Bulbul. Σε επόμενες δημοσιεύσεις δεδομένων, η ομάδα eRosita θα μπορούσε να πιέσει προς τα κάτω το ανώτερο όριο αρκετά ώστε να αποκλείσει τα μοντέλα μάζας νετρίνων ανεστραμμένης τάξης.

Απαιτείται προσοχή. Οποιαδήποτε άλλα γρήγορα, ελαφριά σωματίδια που μπορεί να υπάρχουν — όπως π.χ αξιών, τα υποθετικά σωματίδια που προτείνονται ως υποψήφια για τη σκοτεινή ύλη — θα έχουν τα ίδια αποτελέσματα στον σχηματισμό της δομής. Και θα εισήγαγαν σφάλματα στη μέτρηση της μάζας των νετρίνων.

Παρακολούθηση της Σκοτεινής Ενέργειας

Οι μετρήσεις του σμήνους γαλαξιών μπορούν να αποκαλύψουν όχι μόνο πώς αναπτύχθηκαν οι δομές, αλλά και πώς η ανάπτυξή τους παρεμποδίστηκε από τη σκοτεινή ενέργεια - το λεπτό λούστρο της απωστικής ενέργειας που διαπερνά το διάστημα, επιταχύνοντας την επέκταση του διαστήματος και ως εκ τούτου διαχωρίζοντας την ύλη.

Εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του ίδιου του χώρου, όπως υποθέτει το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας, τότε θα έχει σταθερή πυκνότητα σε όλο τον χώρο και τον χρόνο (γι' αυτό μερικές φορές αναφέρεται ως κοσμολογική σταθερά). Αλλά αν η πυκνότητά του μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, τότε είναι κάτι εντελώς άλλο. «Αυτό είναι το μεγαλύτερο ερώτημα που έχει η κοσμολογία», είπε ο Sebastian Grandis, μέλος της ομάδας eRosita στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία.

Από τον χάρτη τους με χιλιάδες σμήνη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η σκοτεινή ενέργεια ταιριάζει με το προφίλ μιας κοσμολογικής σταθεράς, αν και η μέτρησή τους έχει 10% αβεβαιότητα, επομένως μια ελαφρώς μεταβαλλόμενη πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας παραμένει δυνατή.

Αρχικά, το eRosita, το οποίο βρίσκεται σε ένα ρωσικό διαστημόπλοιο, επρόκειτο να πραγματοποιήσει οκτώ έρευνες στον ουρανό, αλλά τον Φεβρουάριο του 2022, εβδομάδες αφότου το τηλεσκόπιο ξεκίνησε την πέμπτη του έρευνα, η Ρωσία εισέβαλε στην Ουκρανία. Σε απάντηση, η γερμανική πλευρά της συνεργασίας, η οποία λειτουργεί και τρέχει το eRosita, έθεσε το τηλεσκόπιο σε ασφαλή λειτουργία, διακόπτοντας κάθε επιστημονική παρατήρηση.

Αυτά τα αρχικά έγγραφα αντλούνται από δεδομένα μόνο των πρώτων έξι μηνών. Η γερμανική ομάδα αναμένει να βρει περίπου τετραπλάσια σμήνη γαλαξιών στο επιπλέον 1.5 χρόνο παρατηρήσεων, κάτι που θα επιτρέψει τον εντοπισμό όλων αυτών των κοσμολογικών παραμέτρων με μεγαλύτερη ακρίβεια. «Η κοσμολογία συστάδων θα μπορούσε να είναι ο πιο ευαίσθητος ανιχνευτής της κοσμολογίας εκτός από το CMB», είπε. Άνια φον ντερ Λίντεν, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook.

Τα αρχικά τους αποτελέσματα καταδεικνύουν τη δύναμη μιας σχετικά αναξιοποίητης πηγής πληροφοριών. «Είμαστε κάπως το νέο παιδί στο μπλοκ», είπε ο Grandis.