پرتوهای ایکس تازه، جهانی را آشکار می‌سازد که به‌اندازه کیهان‌شناسی پیش‌بینی می‌کند | مجله کوانتا

خوشه‌هایی متشکل از صدها یا هزاران کهکشان در محل تلاقی رشته‌های ماده غول‌پیکر و متقاطع قرار دارند که ملیله‌ای از کیهان را تشکیل می‌دهند. همانطور که گرانش همه چیز را در هر خوشه کهکشانی به سمت مرکز خود می کشد، گازی که فضای بین کهکشان ها را پر می کند فشرده می شود و باعث گرم شدن آن می شود و در اشعه ایکس می درخشد.

تلسکوپ پرتو ایکس eRosita که در سال 2019 به فضا فرستاده شد، بیش از دو سال را صرف جمع آوری پینگ های نور پرانرژی از سراسر آسمان کرد. این داده ها به دانشمندان اجازه می دهد تا مکان ها و اندازه هزاران خوشه کهکشانی را که دو سوم آنها قبلا ناشناخته بودند، نقشه برداری کنند. که در انبوهی از کاغذها در 14 فوریه به صورت آنلاین ارسال شده است که در مجله ظاهر خواهد شد نجوم و اخترفیزیکدانشمندان از فهرست اولیه خوشه‌ها برای بررسی چندین سوال بزرگ کیهان‌شناسی استفاده کردند.

نتایج شامل تخمین‌های جدیدی از توده‌ای کیهان است - مشخصه ای که اخیراً بسیار مورد بحث قرار گرفته استهمانطور که دیگر اندازه‌گیری‌های اخیر نشان داده‌اند که به طور غیرمنتظره‌ای صاف است – و توده‌های ذرات شبح مانند به نام نوترینو و یکی از ویژگی‌های کلیدی انرژی تاریک، انرژی دافعه اسرارآمیز که سرعت انبساط جهان را افزایش می‌دهد.

مدل حاکم کیهان شناسان از جهان، انرژی تاریک را به عنوان انرژی خود فضا شناسایی می کند و آن را به 70 درصد از محتویات جهان می چسباند. یک چهارم بیشتر کیهان را ماده تاریک نامرئی تشکیل می دهد و 5 درصد آن را ماده و تشعشع معمولی تشکیل می دهد. همه آن تحت نیروی گرانش در حال تکامل است. اما برخی از مشاهدات دهه گذشته این «مدل استاندارد» کیهان‌شناسی را به چالش می‌کشند و این احتمال را افزایش می‌دهند که مدل فاقد اجزا یا اثراتی است که می‌تواند درک عمیق‌تری را ایجاد کند.

مشاهدات eRosita، در مقابل، تصویر موجود را در همه موارد تقویت می کند. گفت: "این یک تایید قابل توجه از مدل استاندارد است." دراگان هوترر، کیهان شناس دانشگاه میشیگان که در این کار دخالتی نداشت.

پرتو ایکس کیهان

پس از انفجار بزرگ، تغییرات چگالی ظریف در جهان تازه متولد شده به تدریج با تابش ذرات ماده به یکدیگر آشکارتر شد. توده های متراکم تر مواد بیشتری را به داخل کشیده و بزرگتر شدند. امروزه، خوشه‌های کهکشانی بزرگترین ساختارهای گرانشی در کیهان هستند. تعیین اندازه و توزیع آنها به کیهان شناسان اجازه می دهد مدل خود را از چگونگی تکامل جهان آزمایش کنند.

برای یافتن خوشه‌ها، تیم eRosita یک الگوریتم کامپیوتری برای جست‌وجوی منابع پرتو ایکس «واقعاً کرکی» به جای اشیاء نقطه‌مانند آموزش داد. اسرا بلبل از موسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی در گارچینگ، آلمان، که مشاهدات خوشه ای eRosita را رهبری کرد. او گفت که آنها فهرستی از نامزدها را به یک "نمونه بسیار خالص" از 5,259 خوشه کهکشانی، از نزدیک به 1 میلیون منبع پرتو ایکس که تلسکوپ شناسایی کرده بود، کاهش دادند.

سپس آنها باید بفهمند که این خوشه ها چقدر سنگین هستند. اجسام عظیم تار و پود فضا-زمان را خم می کنند، جهت عبور نور را تغییر می دهند و منبع نور را مخدوش می کنند - پدیده ای به نام عدسی گرانشی. دانشمندان eRosita می توانند جرم برخی از 5,259 خوشه خود را بر اساس عدسی کهکشان های دورتر که در پشت آنها نشسته اند محاسبه کنند. در حالی که تنها یک سوم از خوشه‌های آنها می‌دانستند کهکشان‌های پس‌زمینه به این شکل ردیف شده‌اند، دانشمندان دریافتند که جرم خوشه‌ها به شدت با روشنایی پرتوهای ایکس آن‌ها همبستگی دارد. به دلیل این همبستگی قوی، آنها می توانند از روشنایی برای تخمین جرم خوشه های باقی مانده استفاده کنند.

آنها سپس اطلاعات انبوه را به شبیه سازی کامپیوتری کیهان در حال تکامل برای استنتاج مقادیر پارامترهای کیهانی وارد کردند.

سنجش کلوخگی

یکی از موارد مورد علاقه "عامل کلفتی" جهان است، S₈، در S₈ مقدار صفر یک نیستی کیهانی وسیع را نشان می‌دهد، شبیه به یک دشت هموار که در آن صخره‌ای در چشم است. یک S₈ مقدار نزدیک به 1 مربوط به کوه های شیب دار است که بر فراز دره های عمیق قرار دارند. دانشمندان برآورد کرده اند S₈ بر اساس اندازه‌گیری‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) - نور باستانی که از کیهان اولیه می‌آید. با برون یابی از تغییرات چگالی اولیه کیهان، محققان انتظار جریان را دارند S₈ مقدار 0.83 باشد.

اما مطالعات اخیر با نگاه کردن به کهکشان‌های امروزی، مقادیری 8 تا 10 درصد پایین‌تر اندازه‌گیری شده‌اند که به این معنی است که جهان به‌طور غیرمنتظره‌ای صاف است. این اختلاف نظر کیهان شناسان را برانگیخته است و به طور بالقوه به شکاف هایی در مدل استاندارد کیهان شناسی اشاره می کند.

با این حال، تیم eRosita چنین تناقضی را پیدا نکرد. گفت: "نتیجه ما اساساً مطابق با پیش بینی های اولیه CMB بود." ویتوریو گیراردینی، که تجزیه و تحلیل را رهبری کرد. او و همکارانش یک عدد را محاسبه کردند S₈ از 0.85.

گیراردینی گفت که برخی از اعضای تیم ناامید شده بودند، زیرا اشاره به مواد از دست رفته دورنمای هیجان انگیزتری نسبت به تطبیق با نظریه شناخته شده بود.

S₈ گفت: ارزش نشستن کمی بالاتر از تخمین CMB احتمالا باعث تحلیل بیشتر تیم‌های دیگر خواهد شد گریت شلنبرگر، اخترفیزیکدانی که خوشه های کهکشانی را در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان مطالعه می کند. "من معتقدم این احتمالا آخرین مقاله ای نیست که در مورد آن موضوع دیده ایم."

وزن کردن نوترینوها

نوترینوهای فراوانی در کیهان اولیه شکل گرفتند - تقریباً به اندازه فوتون ها (ذرات نور) مارلینا لووردهکیهان شناس دانشگاه واشنگتن. اما فیزیکدانان می دانند که نوترینوها برخلاف فوتون ها، باید توده های کوچکی داشته باشد به دلیل اینکه چگونه بین سه نوع در نوسان هستند. ذرات از طریق مکانیزم مشابه با سایر ذرات بنیادی جرم به دست نمی آورند، بنابراین جرم آنها معمایی است که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. و اولین سوال این است که آنها در واقع چقدر عظیم هستند.

کیهان شناسان می توانند با مطالعه تأثیرات نوترینوها بر ساختار کیهان، جرم آنها را تخمین بزنند. نوترینوها تقریباً با سرعت نور به اطراف می‌چرخند و به‌جای تابیدن به مواد دیگر، مستقیماً از مواد دیگر عبور می‌کنند. بنابراین حضور آن‌ها در کیهان، کلوخگی آن را کاهش داده است. لوورد گفت: «هرچه جرم بیشتری روی نوترینوها قرار دهید، جرم بیشتری در آن مقیاس‌های [بزرگ] صاف است.

تیم eRosita با ترکیب اندازه‌گیری‌های خوشه کهکشانی خود با اندازه‌گیری‌های CMB، تخمین زد که مجموع جرم‌های سه نوع نوترینو بیشتر از 0.11 الکترون ولت (eV) یا کمتر از یک میلیونم جرم یک الکترون نیست. سایر آزمایشات نوترینو انجام شده است یک حد پایین ایجاد کرد، نشان می دهد که سه جرم نوترینو باید حداقل 0.06 eV (برای یک مرتبه ممکن از سه مقدار جرم) یا 0.1 eV (برای ترتیب معکوس) جمع شوند. با کاهش فاصله بین مرزهای بالا و پایین، دانشمندان به تعیین دقیق مقدار جرم نوترینو نزدیک می شوند. بلبل گفت: «ما در واقع در آستانه پیشرفت هستیم. در انتشار داده‌های بعدی، تیم eRosita می‌تواند حد بالایی را به اندازه کافی پایین بیاورد تا مدل‌های جرم نوترینویی مرتبه معکوس را رد کند.

احتیاط لازم است. هر ذره سریع و سبک وزن دیگری که ممکن است وجود داشته باشد - مانند آکسیون هاذرات فرضی که به عنوان کاندیدای ماده تاریک پیشنهاد شده‌اند، تأثیرات مشابهی بر شکل‌گیری ساختار خواهند داشت. و آنها خطاهایی را در اندازه گیری جرم نوترینو وارد می کنند.

ردیابی انرژی تاریک

اندازه‌گیری‌های خوشه کهکشانی می‌توانند نه تنها چگونگی رشد ساختارها، بلکه چگونگی رشد آنها توسط انرژی تاریک را نشان دهند - لعاب نازک انرژی دافعه‌ای که در فضا نفوذ می‌کند، انبساط فضا را تسریع می‌کند و در نتیجه ماده را جدا می‌کند.

اگر انرژی تاریک همان‌طور که مدل استاندارد کیهان‌شناسی فرض می‌کند، انرژی خود فضا باشد، چگالی ثابتی در سرتاسر فضا و زمان خواهد داشت (به همین دلیل است که گاهی اوقات به آن ثابت کیهانی می‌گویند). اما اگر چگالی آن به مرور زمان کاهش می‌یابد، کاملاً چیز دیگری است. سباستین گراندیس، یکی از اعضای تیم eRosita در دانشگاه اینسبروک در اتریش، گفت: "این بزرگترین سوال کیهان شناسی است."

محققان از نقشه هزاران خوشه خود دریافتند که انرژی تاریک با مشخصات یک ثابت کیهانی مطابقت دارد، اگرچه اندازه‌گیری آن‌ها 10 درصد عدم قطعیت دارد، بنابراین چگالی انرژی تاریک تا حد کمی تغییر می‌کند.

در ابتدا، eRosita که بر روی یک فضاپیمای روسی قرار دارد، قرار بود هشت بررسی در تمام آسمان انجام دهد، اما در فوریه 2022، هفته‌ها پس از آغاز پنجمین بررسی تلسکوپ، روسیه به اوکراین حمله کرد. در پاسخ، طرف آلمانی همکاری که eRosita را اداره و راه اندازی می کند، تلسکوپ را در حالت ایمن قرار داد و تمام مشاهدات علمی را متوقف کرد.

این مقالات اولیه فقط از شش ماه اول داده ها استخراج می شوند. این گروه آلمانی انتظار دارد در 1.5 سال مشاهدات اضافی، حدود چهار برابر تعداد خوشه های کهکشانی پیدا کند، که این امکان را به شما می دهد تا تمام این پارامترهای کیهانی با دقت بیشتری مشخص شوند. کیهان‌شناسی خوشه‌ای می‌تواند حساس‌ترین کاوشگر کیهان‌شناسی غیر از CMB باشد. آنیا فون در لیندن، اخترفیزیکدان دانشگاه استونی بروک.

نتایج اولیه آنها قدرت یک منبع اطلاعاتی نسبتاً دست نخورده را نشان می دهد. گراندیس گفت: «ما به نوعی بچه جدید بلوک هستیم.