รังสีเอกซ์ใหม่เผยจักรวาลเป็นก้อนตามที่จักรวาลวิทยาทำนาย | นิตยสารควอนต้า

กระจุกกาแลคซีหลายร้อยหรือหลายพันแห่งตั้งอยู่บริเวณจุดตัดของเส้นใยสสารขนาดยักษ์ที่สลับสับเปลี่ยนกันซึ่งก่อตัวเป็นผืนผ้าของจักรวาล เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงทุกสิ่งในแต่ละกระจุกกาแลคซีเข้าหาศูนย์กลาง ก๊าซที่เติมเต็มช่องว่างระหว่างกาแลคซีจะถูกบีบอัด ทำให้ร้อนขึ้นและเรืองแสงในรังสีเอกซ์

กล้องโทรทรรศน์เอ็กซ์เรย์ eRosita ซึ่งลอยขึ้นสู่อวกาศในปี 2019 ใช้เวลากว่าสองปีในการรวบรวมแสงพลังงานสูงจากทั่วท้องฟ้า ข้อมูลดังกล่าวช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่ตำแหน่งและขนาดของกระจุกดาราจักรนับพันได้ โดยสองในสามของกระจุกดาราจักรไม่ทราบมาก่อน ใน เอกสารจำนวนหนึ่ง โพสต์ออนไลน์เมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ที่จะปรากฏในวารสาร ดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์นักวิทยาศาสตร์ใช้แคตตาล็อกกระจุกเริ่มต้นเพื่อชั่งน้ำหนักคำถามสำคัญหลายๆ ข้อของจักรวาลวิทยา

ผลลัพธ์ที่ได้รวมค่าประมาณใหม่เกี่ยวกับความเป็นกลุ่มก้อนของจักรวาล — ลักษณะที่กล่าวถึงกันมากในช่วงหลังดังที่การตรวจวัดอื่นๆ ล่าสุดพบว่ามันราบรื่นอย่างไม่คาดคิด และมวลของอนุภาคคล้ายผีที่เรียกว่านิวตริโน และคุณสมบัติสำคัญของพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานน่ารังเกียจลึกลับที่เร่งการขยายตัวของเอกภพ

แบบจำลองการครองจักรวาลของนักจักรวาลวิทยาระบุว่าพลังงานมืดเป็นพลังงานในอวกาศและยึดมันไว้ที่ 70% ของเนื้อหาในจักรวาล อีกหนึ่งในสี่ของจักรวาลเป็นสสารมืดที่มองไม่เห็น และอีก 5% เป็นสสารธรรมดาและการแผ่รังสี ทั้งหมดนี้กำลังพัฒนาภายใต้แรงโน้มถ่วง แต่ข้อสังเกตบางอย่างจากทศวรรษที่ผ่านมาท้าทาย "แบบจำลองมาตรฐาน" ของจักรวาลวิทยา ทำให้มีความเป็นไปได้ที่แบบจำลองนี้ขาดส่วนผสมหรือผลกระทบที่อาจนำไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ในทางตรงกันข้าม การสังเกตของ eRosita จะสนับสนุนภาพที่มีอยู่ในทุกด้าน “มันเป็นการยืนยันที่น่าทึ่งของรุ่นมาตรฐาน” กล่าว ดราแกน ฮูเตอร์เรอร์ซึ่งเป็นนักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้

เอ็กซ์เรย์จักรวาล

หลังจากบิ๊กแบง การแปรผันของความหนาแน่นเล็กน้อยในเอกภพแรกเกิดค่อยๆ เด่นชัดมากขึ้นเมื่ออนุภาคสสารสว่างเข้าหากัน ก้อนที่หนาแน่นขึ้นจะดึงวัสดุเข้ามามากขึ้นและขยายใหญ่ขึ้น ปัจจุบันกระจุกกาแลคซีเป็นโครงสร้างที่มีแรงโน้มถ่วงที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาล การกำหนดขนาดและการกระจายช่วยให้นักจักรวาลวิทยาสามารถทดสอบแบบจำลองวิวัฒนาการของเอกภพได้

ในการค้นหากระจุก ทีม eRosita ได้ฝึกอัลกอริธึมคอมพิวเตอร์เพื่อค้นหาแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ "ฟูมาก" ซึ่งต่างจากวัตถุที่มีปลายแหลม เอสรา บุลบุล ของสถาบันมักซ์พลังค์สำหรับฟิสิกส์นอกโลกในเมืองการ์ชิง ประเทศเยอรมนี ซึ่งเป็นผู้นำการสำรวจกระจุกดาวของ eRosita พวกเขาคัดรายชื่อผู้สมัครออกเป็น "ตัวอย่างที่บริสุทธิ์อย่างยิ่ง" เธอกล่าวจากกระจุกกาแลคซี 5,259 แห่ง จากแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์เกือบ 1 ล้านแหล่งที่กล้องโทรทรรศน์ตรวจพบ

จากนั้นพวกเขาก็ต้องพิจารณาว่ากระจุกเหล่านี้หนักแค่ไหน วัตถุขนาดใหญ่ทำให้โครงสร้างของกาล-อวกาศโค้งงอ เปลี่ยนทิศทางของแสงที่ส่องผ่าน และทำให้แหล่งกำเนิดแสงดูบิดเบี้ยว ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเลนส์โน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์ของ eRosita สามารถคำนวณมวลของกระจุกดาวบางส่วนจากทั้งหมด 5,259 กระจุกดาวโดยอาศัยเลนส์ของกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปซึ่งอยู่ด้านหลังกระจุกดาวเหล่านั้น ในขณะที่กระจุกดาวเพียงหนึ่งในสามเท่านั้นที่รู้จักกาแลคซีพื้นหลังเรียงตัวในลักษณะนี้ นักวิทยาศาสตร์พบว่ามวลกระจุกมีความสัมพันธ์อย่างมากกับความสว่างของรังสีเอกซ์ เนื่องจากมีความสัมพันธ์กันอย่างมาก พวกเขาจึงสามารถใช้ความสว่างเพื่อประมาณมวลของกระจุกที่เหลือได้

จากนั้นพวกเขาก็ป้อนข้อมูลมวลลงในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของจักรวาลที่กำลังพัฒนาเพื่ออนุมานค่าของพารามิเตอร์ของจักรวาล

การวัดความอึดอัด

สิ่งที่น่าสนใจประการหนึ่งคือ "ปัจจัยความอึดอัด" ของจักรวาล S₈. S₈ ค่าศูนย์จะเป็นตัวแทนของความว่างเปล่าในจักรวาลอันกว้างใหญ่ คล้ายกับที่ราบเรียบที่ไม่มีหินให้เห็น หนึ่ง S₈ ค่าที่ใกล้กับ 1 สอดคล้องกับภูเขาสูงชันที่ทอดตัวอยู่เหนือหุบเขาลึก นักวิทยาศาสตร์ได้ประมาณการว่า S₈ ขึ้นอยู่กับการวัดพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) ซึ่งเป็นแสงโบราณที่มาจากเอกภพยุคแรกเริ่ม นักวิจัยคาดการณ์กระแสจากการคาดการณ์ความแปรผันของความหนาแน่นเริ่มต้นของจักรวาล S₈ มีค่าเป็น 0.83

แต่ การศึกษาล่าสุด การดูกาแลคซีในปัจจุบันวัดค่าได้ลดลง 8% ถึง 10% ซึ่งหมายความว่าจักรวาลมีความราบรื่นอย่างไม่คาดคิด ความคลาดเคลื่อนดังกล่าวทำให้นักจักรวาลวิทยาเกิดความสนใจ ซึ่งอาจชี้ไปที่รอยแตกในแบบจำลองทางจักรวาลวิทยามาตรฐาน

อย่างไรก็ตาม ทีมงาน eRosita ไม่พบความคลาดเคลื่อนดังกล่าว “ผลลัพธ์ของเราโดยพื้นฐานแล้วสอดคล้องกับการคาดการณ์ตั้งแต่แรกเริ่มจาก CMB” กล่าว วิตโตริโอ กิราร์ดินี่ซึ่งเป็นผู้นำการวิเคราะห์ เขาและเพื่อนร่วมงานคำนวณ S₈ จาก 0.85

Ghirardini กล่าวว่าสมาชิกในทีมบางคนผิดหวัง เนื่องจากการบอกเป็นนัยถึงส่วนผสมที่ขาดหายไปเป็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นมากกว่าการจับคู่ทฤษฎีที่ทราบ

S₈ ค่าที่ตั้งสูงกว่าประมาณการของ CMB เล็กน้อยมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นให้เกิดการวิเคราะห์เพิ่มเติมจากทีมอื่น ๆ กล่าว เกอร์ริต เชลเลนเบอร์เกอร์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ศึกษากระจุกกาแลคซีที่ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน “ฉันเชื่อว่าอาจไม่ใช่รายงานฉบับสุดท้ายที่เราได้เห็นในหัวข้อนั้น”

การชั่งน้ำหนักนิวตริโน

นิวทริโนจำนวนมากก่อตัวขึ้นในเอกภพในยุคแรกๆ ซึ่งเกือบจะมากเท่ากับโฟตอน (อนุภาคของแสง) กล่าว มาริเลนา โลเวอร์เด, นักจักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตัน แต่นักฟิสิกส์รู้ว่านิวตริโน ต่างจากโฟตอน ต้องมีฝูงเล็กๆ เพราะการแกว่งไปมาระหว่างสามประเภท อนุภาคไม่ได้รับมวลผ่านกลไกเดียวกับอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ดังนั้นมวลของพวกมันจึงเป็นปริศนาที่มีการศึกษากันมาก และคำถามแรกก็คือ จริงๆ แล้วพวกมันมีขนาดใหญ่แค่ไหน

นักจักรวาลวิทยาสามารถประมาณมวลของนิวตริโนได้โดยการศึกษาผลกระทบที่มีต่อโครงสร้างของจักรวาล นิวตริโนเคลื่อนตัวไปรอบๆ ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงและทะลุผ่านสสารอื่น ๆ แทนที่จะมองดูมัน ดังนั้นการมีอยู่ของพวกมันในจักรวาลจึงทำให้ความอึดอัดของมันลดน้อยลง “ยิ่งคุณใส่นิวทริโนลงในมวลมากเท่าไร มวลที่เรียบบนเครื่องชั่ง [ใหญ่] เหล่านั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น” Loverde กล่าว

เมื่อรวมการวัดกระจุกกาแลคซีเข้ากับการวัด CMB ทีม eRosita ประมาณการว่าผลรวมของมวลของนิวทริโนทั้งสามชนิดนั้นไม่เกิน 0.11 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หรือน้อยกว่าหนึ่งในล้านของมวลอิเล็กตรอน การทดลองนิวตริโนอื่นๆ มี กำหนดขอบเขตล่างแสดงว่ามวลนิวตริโนทั้งสามมวลต้องรวมกันได้อย่างน้อย 0.06 eV (สำหรับการเรียงลำดับค่ามวลทั้งสามที่เป็นไปได้) หรือ 0.1 eV (สำหรับลำดับกลับหัว) เมื่อระยะห่างระหว่างขอบเขตบนและล่างหดตัว นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มระบุค่าของมวลนิวตริโนได้มากขึ้น “เราใกล้จะประสบความสำเร็จแล้ว” บุลบุลกล่าว ในการเปิดเผยข้อมูลครั้งต่อๆ ไป ทีม eRosita สามารถดันขอบเขตบนลงได้มากพอที่จะแยกแยะแบบจำลองมวลนิวตริโนลำดับกลับหัวออกไป

ข้อควรระวังคือการรับประกัน อนุภาคที่เร็วและเบาอื่นๆ ที่อาจมีอยู่ เช่น แกนอนุภาคสมมุติที่ถูกเสนอให้เป็นตัวเลือกสำหรับสสารมืด จะมีผลเช่นเดียวกันกับการก่อตัวของโครงสร้าง และจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดมวลนิวตริโน

ติดตามพลังงานมืด

การวัดกระจุกดาราจักรไม่เพียงแต่เผยให้เห็นว่าโครงสร้างเติบโตได้อย่างไร แต่ยังบอกด้วยว่าการเติบโตของพวกมันถูกขัดขวางโดยพลังงานมืดอย่างไร ซึ่งเป็นการเคลือบพลังงานน่ารังเกียจบาง ๆ ที่แทรกซึมเข้าไปในอวกาศ เร่งการขยายตัวของอวกาศ และด้วยเหตุนี้จึงแยกสสารออกจากกัน

หากพลังงานมืดเป็นพลังงานของอวกาศ ดังที่แบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยาสันนิษฐานไว้ พลังงานนั้นก็จะมีความหนาแน่นคงที่ตลอดอวกาศและเวลา (นั่นคือสาเหตุว่าทำไมบางครั้งจึงเรียกว่าค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา) แต่ถ้าความหนาแน่นของมันลดลงเมื่อเวลาผ่านไป มันก็จะเป็นอย่างอื่นไปโดยสิ้นเชิง “นั่นเป็นคำถามที่ใหญ่ที่สุดที่จักรวาลวิทยามี” Sebastian Grandis สมาชิกทีม eRosita จากมหาวิทยาลัยอินส์บรุคในออสเตรียกล่าว

จากแผนที่กระจุกดาวนับพัน นักวิจัยพบว่าพลังงานมืดตรงกับค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา แม้ว่าการตรวจวัดจะมีความไม่แน่นอน 10% ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานมืดที่เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจึงยังคงเป็นไปได้

เดิมที eRosita ซึ่งนั่งอยู่บนยานอวกาศของรัสเซีย จะทำการสำรวจเต็มท้องฟ้าแปดครั้ง แต่ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2022 หลายสัปดาห์หลังจากที่กล้องโทรทรรศน์เริ่มการสำรวจครั้งที่ห้า รัสเซียก็บุกยูเครน เพื่อเป็นการตอบสนอง ฝ่ายความร่วมมือของเยอรมนี ซึ่งดำเนินการและดำเนินการ eRosita ได้กำหนดให้กล้องโทรทรรศน์อยู่ในเซฟโหมด และยุติการสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด

เอกสารเริ่มต้นเหล่านี้ดึงมาจากข้อมูลเพียงหกเดือนแรก กลุ่มชาวเยอรมันคาดว่าจะพบกระจุกกาแลคซีจำนวนมากขึ้นประมาณสี่เท่าในการสังเกตการณ์เพิ่มเติมอีก 1.5 ปี ซึ่งจะช่วยให้สามารถระบุพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำมากขึ้น “จักรวาลวิทยาแบบคลัสเตอร์อาจเป็นเครื่องมือตรวจสอบจักรวาลวิทยาที่ละเอียดอ่อนที่สุดนอกเหนือจาก CMB” กล่าว อันยา ฟอน เดอร์ ลินเดนนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Stony Brook

ผลลัพธ์เบื้องต้นของพวกเขาแสดงให้เห็นถึงพลังของแหล่งข้อมูลที่ค่อนข้างไม่ได้ใช้ “เราเป็นเด็กใหม่ในกลุ่มนี้” แกรนดิสกล่าว