Świeże promienie rentgenowskie ujawniają Wszechświat tak nierówny, jak przewiduje kosmologia | Magazyn Quanta

Gromady setek lub tysięcy galaktyk znajdują się na przecięciach gigantycznych, krzyżujących się włókien materii, które tworzą gobelin kosmosu. Gdy grawitacja przyciąga wszystko w każdej gromadzie galaktyk do jej środka, gaz wypełniający przestrzeń pomiędzy galaktykami zostaje skompresowany, powodując jego nagrzanie i świecenie w promieniach rentgenowskich.

Teleskop rentgenowski eRosita, wyniesiony w przestrzeń kosmiczną w 2019 roku, spędził ponad dwa lata na zbieraniu impulsów wysokoenergetycznego światła z całego nieba. Dane umożliwiły naukowcom mapowanie lokalizacji i rozmiarów tysięcy gromad galaktyk, z których dwie trzecie były wcześniej nieznane. W mnóstwo papierów opublikowane w internecie 14 lutego i ukażą się w czasopiśmie Astronomia i astrofizykanaukowcy wykorzystali swój początkowy katalog gromad, aby odpowiedzieć na kilka najważniejszych pytań kosmologii.

Wyniki obejmują nowe szacunki zbitości kosmosu — ostatnio szeroko omawiana cecha, ponieważ inne niedawne pomiary wykazały, że jest nieoczekiwanie gładka — oraz mas widmo cząstek zwanych neutrinami i kluczowej właściwości ciemnej energii, tajemniczej energii odpychającej, która przyspiesza ekspansję wszechświata.

Obowiązujący kosmologów model wszechświata identyfikuje ciemną energię jako energię samej przestrzeni i szacuje ją na 70% zawartości wszechświata. Kolejna jedna czwarta Wszechświata to niewidzialna ciemna materia, a 5% to zwykła materia i promieniowanie. Wszystko to ewoluuje pod wpływem siły grawitacji. Jednak niektóre obserwacje z ostatniej dekady zaprzeczają temu „standardowemu modelowi” kosmologii, podnosząc prawdopodobieństwo, że w modelu brakuje składników lub efektów, które mogłyby zapoczątkować głębsze zrozumienie.

Natomiast obserwacje eRosita pod każdym względem potwierdzają istniejący obraz. „To niezwykłe potwierdzenie modelu standardowego” – stwierdził Dragan Huterer, kosmolog z Uniwersytetu Michigan, który nie był zaangażowany w prace.

Prześwietlanie kosmosu

Po Wielkim Wybuchu subtelne zmiany gęstości w nowonarodzonym wszechświecie stopniowo stawały się coraz wyraźniejsze, w miarę jak cząstki materii skupiały się na sobie. Gęstsze kępy wciągnęły więcej materiału i powiększyły się. Obecnie gromady galaktyk są największymi strukturami związanymi grawitacyjnie w kosmosie. Określenie ich rozmiarów i rozmieszczenia pozwala kosmologom przetestować model ewolucji Wszechświata.

Aby znaleźć gromady, zespół eRosita wyszkolił algorytm komputerowy tak, aby przeszukiwał „naprawdę puszyste” źródła promieniowania rentgenowskiego, a nie obiekty punktowe – powiedział Esra Bulbul z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka w Garching w Niemczech, który kierował obserwacjami klastrów za pomocą eRosita. Jak stwierdziła, zawęzili listę kandydatów do „niezwykle czystej próbki” składającej się z 5,259 gromad galaktyk z prawie miliona źródeł promieniowania rentgenowskiego wykrytych przez teleskop.

Następnie musieli dowiedzieć się, jak ciężkie są te gromady. Masywne obiekty zaginają tkaninę czasoprzestrzeni, zmieniając kierunek przechodzącego światła i sprawiając, że źródło światła wydaje się zniekształcone – zjawisko zwane soczewkowaniem grawitacyjnym. Naukowcy z eRosita byli w stanie obliczyć masy niektórych z 5,259 gromad w oparciu o soczewkowanie bardziej odległych galaktyk znajdujących się za nimi. Chociaż tylko w jednej trzeciej ich gromad znane były galaktyki tła ułożone w ten sposób, naukowcy odkryli, że masa gromady jest silnie skorelowana z jasnością ich promieni rentgenowskich. Ze względu na tę silną korelację mogliby wykorzystać jasność do oszacowania mas pozostałych gromad.

Następnie wprowadzili informacje o masie do symulacji komputerowych ewoluującego kosmosu, aby wywnioskować wartości parametrów kosmicznych.

Pomiar zbitości

Jedną z interesujących liczb jest „czynnik zlepiania się” wszechświata, S₈. S₈ Wartość zero reprezentowałaby rozległą kosmiczną nicość, podobną do płaskiej równiny, na której nie było widać żadnej skały. Jakiś S₈ wartość bliższa 1 odpowiada stromym górom wznoszącym się nad głębokimi dolinami. Naukowcy oszacowali S₈ na podstawie pomiarów kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) – starożytnego światła pochodzącego z wczesnego Wszechświata. Ekstrapolując na podstawie początkowych zmian gęstości kosmosu, badacze spodziewają się prądu S₈ wartość wyniesie 0.83.

Ale Ostatnie badania patrząc na dzisiejsze galaktyki, zmierzyli wartości od 8% do 10% niższe, co sugeruje, że Wszechświat jest nieoczekiwanie gładki. Ta rozbieżność zaintrygowała kosmologów, potencjalnie wskazując na pęknięcia w standardowym modelu kosmologicznym.

Zespół eRosita nie stwierdził jednak takiej rozbieżności. „Nasz wynik był zasadniczo zgodny z przewidywaniami z bardzo wczesnego okresu CMB” – powiedział Vittorio Ghirardini, który prowadził analizę. On i jego koledzy obliczyli S₈ z 0.85.

Ghirardini powiedział, że niektórzy członkowie zespołu byli rozczarowani, ponieważ wzmianka o brakujących składnikach była bardziej ekscytująca niż sprawdzanie znanej teorii.

S₈ Wartość nieco wyższa niż szacunki CMB prawdopodobnie spowoduje dalsze analizy przez inne zespoły, powiedział Gerrita Schellenbergera, astrofizyk badający gromady galaktyk w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Uważam, że prawdopodobnie nie jest to ostatni artykuł na ten temat, jaki widzieliśmy”.

Ważenie neutrin

We wczesnym Wszechświecie powstały liczne neutrina – prawie tyle samo, co fotonów (cząstek światła) – stwierdził. Marileny Loverde, kosmolog z Uniwersytetu Waszyngtońskiego. Ale fizycy wiedzą, że neutrina, w przeciwieństwie do fotonów, musi mieć maleńkie masy ze względu na sposób, w jaki oscylują pomiędzy trzema typami. Cząstki nie uzyskują masy w ten sam sposób, co inne cząstki elementarne, więc ich masa jest szeroko badaną tajemnicą. Pierwsze pytanie dotyczy tego, jak ogromne są one w rzeczywistości.

Kosmolodzy mogą oszacować masę neutrin, badając ich wpływ na strukturę kosmosu. Neutrina poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i przechodzą przez inną materię, zamiast na nią padać. Zatem ich obecność w kosmosie osłabiła jego zbitość. „Im więcej masy nałożysz na neutrina, tym więcej masy będzie gładkiej w tych [dużych] skalach” – powiedział Loverde.

Łącząc pomiary gromad galaktyk z pomiarami CMB, zespół eRosita oszacował, że suma mas trzech typów neutrin wynosi nie więcej niż 0.11 elektronowoltów (eV), czyli mniej niż jedną milionową masy elektronu. Inne eksperymenty z neutrinami już to zrobiły ustalił dolną granicę, pokazując, że masy trzech neutrin muszą sumować się co najmniej 0.06 eV (dla jednego możliwego uporządkowania trzech wartości mas) lub 0.1 eV (dla porządku odwróconego). W miarę zmniejszania się odległości między górną i dolną granicą naukowcy są coraz bliżej ustalenia wartości masy neutrina. „Właściwie jesteśmy o krok od przełomu” – stwierdził Bulbul. W kolejnych publikacjach danych zespół eRosita mógł obniżyć górną granicę na tyle, aby wykluczyć modele mas neutrin o odwróconym porządku.

Ostrożność jest uzasadniona. Wszelkie inne szybkie, lekkie cząstki, które mogą istnieć – np aksje, hipotetyczne cząstki proponowane jako kandydaci na ciemną materię – miałyby taki sam wpływ na tworzenie struktur. Wprowadziliby także błędy do pomiaru masy neutrin.

Śledzenie ciemnej energii

Pomiary gromad galaktyk mogą ujawnić nie tylko sposób wzrostu struktur, ale także sposób, w jaki ich wzrost był hamowany przez ciemną energię – cienką warstwę odpychającej energii, która przenika przestrzeń, przyspieszając jej ekspansję i w ten sposób oddzielając materię.

Jeśli ciemna energia jest energią samej przestrzeni, jak zakłada standardowy model kosmologii, to będzie miała stałą gęstość w przestrzeni i czasie (dlatego czasami nazywa się ją stałą kosmologiczną). Ale jeśli zamiast tego jego gęstość maleje z czasem, to jest to zupełnie coś innego. „To najważniejsze pytanie, jakie stawia kosmologia” – powiedział Sebastian Grandis, członek zespołu eRosita na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii.

Na podstawie mapy tysięcy gromad naukowcy odkryli, że ciemna energia odpowiada profilowi ​​stałej kosmologicznej, chociaż jej pomiar obarczony jest niepewnością 10%, zatem możliwa jest zawsze nieznacznie zmienna gęstość ciemnej energii.

Pierwotnie eRosita znajdująca się na pokładzie rosyjskiego statku kosmicznego miała przeprowadzić osiem przeglądów całego nieba, ale w lutym 2022 r., kilka tygodni po rozpoczęciu przez teleskop piątego przeglądu, Rosja zaatakowała Ukrainę. W odpowiedzi niemiecka strona współpracy, która obsługuje i zarządza eRosita, przełączyła teleskop w tryb awaryjny, wstrzymując wszelkie obserwacje naukowe.

Te wstępne artykuły opierają się wyłącznie na danych z pierwszych sześciu miesięcy. Niemiecka grupa spodziewa się znaleźć około czterokrotnie więcej gromad galaktyk w ciągu dodatkowych 1.5 roku obserwacji, co umożliwi dokładniejsze określenie wszystkich parametrów kosmologicznych. „Kosmologia klastrów może być najczulszą sondą kosmologiczną, inną niż CMB” – stwierdził Anji von der Linden, astrofizyk na Uniwersytecie Stony Brook.

Ich wstępne wyniki pokazują siłę stosunkowo niewykorzystanego źródła informacji. „Jesteśmy kimś w rodzaju nowego dzieciaka w okolicy” – powiedział Grandis.