Tuoreet röntgensäteet paljastavat maailmankaikkeuden, joka on yhtä möykkyinen kuin kosmologia ennustaa | Quanta-lehti

Satojen tai tuhansien galaksien klusterit sijaitsevat jättimäisten, risteävien ainesäikeiden leikkauskohdassa, jotka muodostavat kosmoksen kuvakudoksen. Kun painovoima vetää kaikkea kussakin galaksijoukossa kohti sen keskustaa, galaksien välisen tilan täyttävä kaasu puristuu, jolloin se lämpenee ja hehkuu röntgensäteissä.

Vuonna 2019 avaruuteen nostettu eRosita-röntgenteleskooppi keräsi yli kaksi vuotta korkeaenergisen valon pingejä eri puolilta taivasta. Tietojen avulla tutkijat ovat pystyneet kartoittamaan tuhansien galaksijoukkojen sijainnit ja koot, joista kaksi kolmasosaa oli aiemmin tuntemattomia. Sisään joukko papereita julkaistu verkossa 14. helmikuuta, joka ilmestyy lehdessä Tähtitiede ja astrofysiikka, tutkijat käyttivät alkuperäistä klusteriluetteloaan punnitsemaan useita kosmologian suuria kysymyksiä.

Tulokset sisältävät uusia arvioita kosmoksen kokkareisuudesta - viime aikoina paljon keskusteltu ominaisuus, sillä muut viimeaikaiset mittaukset ovat todenneet sen olevan yllättävän tasainen - ja neutriinoiksi kutsuttujen aavemaisten hiukkasten massoista ja pimeän energian keskeisestä ominaisuudesta, salaperäisestä vastenmielisestä energiasta, joka nopeuttaa universumin laajenemista.

Kosmologien hallitseva maailmankaikkeuden malli tunnistaa pimeän energian itse avaruuden energiaksi ja kiinnittää sen 70 prosenttiin universumin sisällöstä. Lisäksi neljännes maailmankaikkeudesta on näkymätöntä pimeää ainetta ja 5 % tavallista ainetta ja säteilyä. Kaikki se kehittyy painovoiman vaikutuksesta. Mutta jotkin viime vuosikymmenen havainnot vastustavat tätä kosmologian "standardimallia", mikä lisää mahdollisuutta, että mallista puuttuu ainesosia tai vaikutuksia, jotka voisivat johtaa syvempään ymmärrykseen.

eRositan havainnot sen sijaan vahvistavat olemassa olevaa kuvaa kaikin puolin. "Se on merkittävä vahvistus vakiomallista", sanoi Dragan Huterer, kosmologi Michiganin yliopistosta, joka ei ollut mukana työhön.

Kosmoksen röntgenkuvaus

Alkuräjähdyksen jälkeen vastasyntyneen maailmankaikkeuden hienovaraiset tiheysvaihtelut tulivat vähitellen selvemmiksi, kun ainehiukkaset kiiltyivät toisiinsa. Tiheämmät möhkäleet vetivät sisään enemmän materiaalia ja kasvoivat. Nykyään galaksiklusterit ovat maailman suurimmat gravitaatioon sitoutuneet rakenteet. Niiden koon ja jakautumisen määrittäminen antaa kosmologille mahdollisuuden testata malliaan maailmankaikkeuden kehittymisestä.

Klusterien löytämiseksi eRosita-tiimi koulutti tietokonealgoritmin etsimään "todella pörröisiä" röntgenlähteitä pistemäisten esineiden sijaan. Esra Bulbul Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics -instituutista Garchingissa, Saksassa, joka johti eRositan klusterihavaintoja. He supistivat ehdokkaiden luettelon "erittäin puhtaaksi näytteeksi", hän sanoi, 5,259 1 galaksijoukosta kaukoputken havaitsemista lähes miljoonasta röntgensäteen lähteestä.

Sitten heidän piti selvittää, kuinka raskaita nämä klusterit ovat. Massiiviset esineet taivuttavat aika-avaruuden kudosta, muuttaen ohi kulkevan valon suuntaa ja saavat valon lähteen näyttämään vääristyneeltä – ilmiötä kutsutaan gravitaatiolinssiksi. eRositan tutkijat pystyivät laskemaan joidenkin 5,259 XNUMX klusterinsa massat niiden takana olevien kauempana olevien galaksien linssien perusteella. Vaikka vain kolmanneksella heidän klusteistaan ​​oli tunnettuja taustagalakseja tällä tavalla, tutkijat havaitsivat, että klusterin massa korreloi voimakkaasti heidän röntgensäteidensä kirkkauden kanssa. Tämän vahvan korrelaation vuoksi he voisivat käyttää kirkkautta arvioidakseen jäljellä olevien klustereiden massoja.

Sitten he syöttivät massainformaation kehittyvän kosmoksen tietokonesimulaatioihin päätelläkseen kosmisten parametrien arvot.

Paakkuuden mittaaminen

Yksi mielenkiinnon kohteista on maailmankaikkeuden "paakutustekijä", S₈. S₈ nolla-arvo edustaisi valtavaa kosmista tyhjyyttä, joka on samanlainen kuin tasainen tasango, jossa on näkyvissä kivi. An S₈ arvo lähempänä yhtä vastaa jyrkkiä vuoria, jotka häämöttävät syvien laaksojen yli. Tiedemiehet ovat arvioineet S₈ perustuu kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) - varhaisesta universumista tulevan muinaisen valon - mittauksiin. Ekstrapoloimalla kosmoksen alkuperäisen tiheyden vaihtelut tutkijat odottavat virran S₈ arvoksi 0.83.

Mutta Viimeisimmät tutkimukset Nykyään galakseja tarkasteltaessa mittausarvot ovat 8–10 % pienemmät, mikä viittaa siihen, että maailmankaikkeus on odottamattoman tasainen. Tämä ristiriita on kiehtonut kosmologeja, mikä saattaa viitata halkeamiin tavallisessa kosmologisessa mallissa.

eRositan tiimi ei kuitenkaan löytänyt tällaista ristiriitaa. "Tuloksemme oli pohjimmiltaan linjassa CMB:n ennusteen kanssa hyvin varhaisesta ajasta", sanoi Vittorio Ghirardini, joka johti analyysin. Hän ja hänen kollegansa laskivat S₈ ja 0.85.

Jotkut tiimin jäsenet olivat pettyneitä, Ghirardini sanoi, koska puuttuvien ainesosien vihjailu oli jännittävämpi mahdollisuus kuin tunnetun teorian vastaaminen.

S₈ arvo, joka on hieman korkeampi kuin CMB-arvio, käynnistää todennäköisesti enemmän analyyseja muilta joukkueilta, sanoi Gerrit Schellenberger, astrofyysikko, joka tutkii galaksijoukkoja Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicsissä. "Uskon, että tämä ei todennäköisesti ole viimeinen lehti, jonka olemme nähneet tästä aiheesta."

Neutriinojen punnitseminen

Varhaisessa universumissa muodostui runsaasti neutriinoja – lähes yhtä monta kuin fotoneja (valohiukkasia), sanoi Marilena Loverde, kosmologi Washingtonin yliopistosta. Mutta fyysikot tietävät, että neutriinot, toisin kuin fotonit, täytyy olla pieniä massoja koska ne värähtelevät kolmen tyypin välillä. Hiukkaset eivät hanki massaa samalla mekanismilla kuin muut alkuainehiukkaset, joten niiden massa on paljon tutkittu mysteeri. Ja ensimmäinen kysymys on, kuinka massiivisia ne todellisuudessa ovat.

Kosmologit voivat arvioida neutriinojen massan tutkimalla niiden vaikutuksia kosmoksen rakenteeseen. Neutriinot kiertelevät ympäriinsä lähes valon nopeudella ja kulkevat suoraan muun aineen läpi sen sijaan, että ne hohtaisivat sen päälle. Joten heidän läsnäolonsa kosmoksessa on heikentänyt sen kokkautta. "Mitä enemmän massaa laitat neutriinoihin, sitä enemmän massaa on tasaista noissa [suurissa] asteikoissa", Loverde sanoi.

Yhdistämällä galaksiklusterin mittaukset CMB-mittauksiin eRosita-tiimi arvioi, että kolmen neutriinotyypin massojen summa on enintään 0.11 elektronivolttia (eV) tai alle miljoonasosa elektronin massasta. Muut neutrinokokeet ovat tehneet asetti alarajan, joka osoittaa, että kolmen neutrinon massan on laskettava yhteen vähintään 0.06 eV (yhdelle mahdolliselle kolmen massa-arvon järjestykselle) tai 0.1 eV (käänteinen järjestys). Kun ylä- ja alarajan välinen etäisyys kutistuu, tutkijat ovat lähestymässä neutriinomassan arvon määrittämistä. "Olemme itse asiassa läpimurron partaalla", Bulbul sanoi. Myöhemmissä tietojulkaisuissa eRosita-tiimi saattoi painaa ylärajaa tarpeeksi alas sulkeakseen pois käänteisen järjestyksen neutriinomassamallit.

Varovaisuus on perusteltua. Kaikki muut nopeat, kevyet hiukkaset, joita saattaa olla olemassa - kuten aksiot, hypoteettiset hiukkaset, joita ehdotetaan pimeän aineen ehdokkaiksi, vaikuttaisivat samalla tavalla rakenteen muodostumiseen. Ja ne aiheuttaisivat virheitä neutriinomassan mittaukseen.

Pimeän energian seuranta

Galaksiklusterimittaukset voivat paljastaa paitsi kuinka rakenteet kasvoivat, myös kuinka pimeä energia esti niiden kasvua - avaruuden läpäisevä ohut vastenmielisen energian lasite, joka kiihdyttää avaruuden laajenemista ja siten erottaa ainetta.

Jos pimeä energia on itse avaruuden energiaa, kuten kosmologian standardimalli olettaa, niin sillä on vakiotiheys koko avaruudessa ja ajassa (siksi sitä kutsutaan joskus kosmologiseksi vakioksi). Mutta jos sen tiheys sen sijaan laskee ajan myötä, se on jotain aivan muuta. "Se on kosmologian suurin kysymys", sanoi Sebastian Grandis, eRositan tiimin jäsen Innsbruckin yliopistosta Itävallasta.

Tutkijat havaitsivat tuhansien klustereiden kartalta, että pimeä energia vastaa kosmologisen vakion profiilia, vaikka niiden mittauksen epävarmuus on 10 %, joten aina niin vähän vaihteleva pimeän energian tiheys on edelleen mahdollinen.

Alun perin venäläisen avaruusaluksen kyydissä olevan eRositan piti tehdä kahdeksan koko taivaan mittausta, mutta helmikuussa 2022, viikkoja sen jälkeen, kun teleskooppi aloitti viidennen tutkimuksensa, Venäjä hyökkäsi Ukrainaan. Vastauksena yhteistyön saksalainen puoli, joka käyttää ja pyörittää eRositaa, laittoi kaukoputken turvatilaan lopettaen kaikki tieteelliset havainnot.

Nämä alustavat paperit perustuvat vain kuuden ensimmäisen kuukauden tietoihin. Saksalainen ryhmä odottaa löytävänsä noin neljä kertaa enemmän galaksijoukkoja 1.5 lisävuoden aikana, mikä mahdollistaa kaikkien näiden kosmologisten parametrien määrittämisen tarkemmin. "Klusterikosmologia voisi olla muun kosmologian herkin koetin kuin CMB", sanoi Anja von der Linden, astrofyysikko Stony Brookin yliopistosta.

Heidän alustavat tulokset osoittavat suhteellisen hyödyntämättömän tietolähteen voiman. "Olemme tavallaan uusi lapsi korttelissa", Grandis sanoi.