Färska röntgenstrålar avslöjar ett universum så klumpigt som kosmologin förutspår | Quanta Magazine

Kluster av hundratals eller tusentals galaxer sitter vid skärningspunkterna av gigantiska, korsande filament av materia som bildar kosmos gobeläng. När gravitationen drar allt i varje galaxhop mot sitt centrum, komprimeras gasen som fyller utrymmet mellan galaxerna, vilket gör att den värms upp och lyser i röntgenstrålar.

Röntgenteleskopet eRosita, som lyftes upp i rymden 2019, tillbringade mer än två år med att samla in plingar av högenergiljus från hela himlen. Data har gjort det möjligt för forskare att kartlägga platserna och storlekarna på tusentals galaxhopar, två tredjedelar av dem tidigare okända. I en massa papper publiceras online den 14 februari som kommer att dyka upp i tidskriften Astronomi och astrofysik, använde forskarna sin första katalog över kluster för att väga in flera av kosmologins stora frågor.

Resultaten inkluderar nya uppskattningar av kosmos klumpighet — en mycket omdiskuterad egenskap på senare tid, som andra senaste mätningar har funnit att det är oväntat jämnt - och av massorna av spökliknande partiklar som kallas neutrinos och av en nyckelegenskap hos mörk energi, den mystiska frånstötande energin som påskyndar universums expansion.

Kosmologernas härskande modell av universum identifierar mörk energi som själva rymdens energi och fäster den vid 70 % av universums innehåll. Ytterligare en fjärdedel av universum är osynlig mörk materia, och 5 % är vanlig materia och strålning. Allt utvecklas under tyngdkraften. Men några observationer från det senaste decenniet trotsar denna "standardmodell" av kosmologi, vilket ökar möjligheten att modellen saknar ingredienser eller effekter som kan inleda en djupare förståelse.

eRosita-observationerna, däremot, stärker den befintliga bilden på alla punkter. "Det är en anmärkningsvärd bekräftelse på standardmodellen," sa Dragan Huterer, en kosmolog vid University of Michigan som inte var involverad i arbetet.

Röntgen av kosmos

Efter Big Bang blev subtila densitetsvariationer i det nyfödda universum gradvis mer uttalade när materiepartiklar glödde på varandra. De tätare klumparna drog in mer material och blev större. Idag är galaxhopar de största gravitationsbundna strukturerna i kosmos. Genom att bestämma deras storlekar och distribution kan kosmologer testa sin modell av hur universum utvecklats.

För att hitta kluster tränade eRosita-teamet en datoralgoritm för att leta efter "riktigt fluffiga" röntgenkällor i motsats till punktliknande föremål, sa Esra Bulbul från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland, som ledde eRositas klusterobservationer. De förminskade en lista över kandidater till ett "extremt rent prov", sa hon, av 5,259 1 galaxhopar, av de nästan XNUMX miljon källor till röntgenstrålar som teleskopet upptäckte.

De var sedan tvungna att ta reda på hur tunga dessa kluster är. Massiva föremål böjer rum-tidens tyg, ändrar riktningen för det passerande ljuset och gör att ljuskällan verkar förvrängd - ett fenomen som kallas gravitationslinser. eRosita-forskarna kunde beräkna massorna av några av deras 5,259 XNUMX kluster baserat på linsning av mer avlägsna galaxer som sitter bakom dem. Medan bara en tredjedel av deras kluster hade känt till bakgrundsgalaxer som ställdes upp på detta sätt, fann forskarna att klustermassan korrelerade starkt med ljusstyrkan hos deras röntgenstrålar. På grund av denna starka korrelation kunde de använda ljusstyrkan för att uppskatta massorna av de återstående klustren.

De matade sedan in massinformationen i datorsimuleringar av det utvecklande kosmos för att sluta sig till värdena för kosmiska parametrar.

Mäter klumpighet

Ett nummer av intresse är universums "klumpighetsfaktor", S₈. En S₈ värdet noll skulle representera en enorm kosmisk intighet, besläktad med en platt slätt med bara en sten i sikte. En S₈ värde närmare 1 motsvarar branta berg som skymtar över djupa dalar. Forskare har uppskattat S₈ baserat på mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - forntida ljus som kommer från det tidiga universum. Om man extrapolerar från kosmos initiala densitetsvariationer förväntar sig forskarna strömmen S₈ värde till 0.83.

Men nyliga studier tittar på galaxer idag har uppmätta värden 8% till 10% lägre, vilket antyder att universum är oväntat jämnt. Den diskrepansen har fascinerat kosmologer, vilket kan peka på sprickor i den vanliga kosmologiska modellen.

eRosita-teamet hittade dock ingen sådan diskrepans. "Vårt resultat var i princip i linje med förutsägelsen från den mycket tidiga tiden, från CMB," sa Vittorio Ghirardini, som ledde analysen. Han och hans kollegor räknade ut en S₈ av 0.85.

Vissa teammedlemmar var besvikna, sa Ghirardini, eftersom antydan om saknade ingredienser var ett mer spännande perspektiv än att matcha den kända teorin.

S₈ värdet som ligger en smula högre än CMB-uppskattningen kommer sannolikt att utlösa fler analyser från andra team, sa Gerrit Schellenberger, en astrofysiker som studerar galaxhopar vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Jag tror att det förmodligen inte är det sista papper vi har sett om det ämnet."

Vägning av Neutrinos

Rikliga neutriner bildades i det tidiga universum - nästan lika många som fotoner (ljuspartiklar), sa Marilena Loverde, en kosmolog vid University of Washington. Men fysiker vet att neutriner, till skillnad från fotoner, måste ha små massor på grund av hur de pendlar mellan tre typer. Partiklarna får inte massa genom samma mekanism som andra elementarpartiklar, så deras massa är ett mycket studerat mysterium. Och den första frågan är hur massiva de faktiskt är.

Kosmologer kan uppskatta massan av neutriner genom att studera deras effekter på kosmos struktur. Neutrinos glider runt med nästan ljusets hastighet och passerar rakt igenom annan materia i stället för att glomma på den. Så deras närvaro i kosmos har dämpat dess klumpighet. "Ju mer massa du lägger på neutrinos, desto mer av massan är slät på dessa [stora] skalor," sa Loverde.

Genom att kombinera sina galaxklustermätningar med CMB-mätningar uppskattade eRosita-teamet att summan av massorna av de tre typerna av neutriner inte är mer än 0.11 elektronvolt (eV), eller mindre än en miljondel av en elektrons massa. Andra neutrinoexperiment har fastställt en nedre gräns, vilket visar att de tre neutrinomassorna måste läggas till minst 0.06 eV (för en möjlig ordning av de tre massvärdena) eller 0.1 eV (för den inverterade ordningen). När avståndet krymper mellan de övre och nedre gränserna, kommer forskare närmare att fastställa värdet av neutrinomassan. "Vi är faktiskt på randen av att göra ett genombrott," sa Bulbul. I efterföljande datasläpp kunde eRosita-teamet trycka ner den övre gränsen tillräckligt för att utesluta neutrinomassmodellerna av omvänd ordning.

Försiktighet är motiverad. Alla andra snabba, lätta partiklar som kan finnas - som t.ex axioner, hypotetiska partiklar som föreslås som kandidater för mörk materia - skulle ha samma effekter på strukturbildning. Och de skulle införa fel i neutrinomassmätningen.

Spåra mörk energi

Galaxklustermätningar kan avslöja inte bara hur strukturer växte, utan också hur deras tillväxt hindrades av mörk energi - den tunna glasyren av frånstötande energi som genomsyrar rymden, accelererar rymdens expansion och därigenom separerar materia.

Om mörk energi är själva rymdens energi, som standardmodellen för kosmologi antar, så kommer den att ha en konstant täthet genom hela rummet och tiden (det är därför det ibland kallas den kosmologiska konstanten). Men om dess densitet istället sjunker med tiden, så är det något helt annat. "Det är den största frågan som kosmologi har", säger Sebastian Grandis, en eRosita-teammedlem vid universitetet i Innsbruck i Österrike.

Från sin karta över tusentals kluster fann forskarna att mörk energi matchar profilen för en kosmologisk konstant, även om deras mätning har en osäkerhet på 10 %, så en aldrig så lite varierande mörk energitäthet förblir möjlig.

Ursprungligen skulle eRosita, som sitter ombord på en rysk rymdfarkost, genomföra åtta undersökningar av hela himlen, men i februari 2022, veckor efter att teleskopet påbörjat sin femte undersökning, invaderade Ryssland Ukraina. Som svar satte den tyska sidan av samarbetet, som driver och driver eRosita, teleskopet i säkert läge och stoppade alla vetenskapliga observationer.

Dessa inledande dokument bygger på bara de första sex månadernas data. Den tyska gruppen förväntar sig att hitta ungefär fyra gånger så många galaxhopar under de ytterligare 1.5 åren av observationer, vilket gör att alla dessa kosmologiska parametrar kan fastställas med större noggrannhet. "Klusterkosmologi kan vara den mest känsliga sonden för kosmologi förutom CMB," sa Anja von der Linden, en astrofysiker vid Stony Brook University.

Deras första resultat visar kraften hos en relativt outnyttjad informationskälla. "Vi är typ av det nya barnet på kvarteret," sa Grandis.