Нові рентгенівські знімки показують, що Всесвіт настільки ж складний, як і передбачає космологія | Журнал Quanta

Скупчення сотень або тисяч галактик розташовані на перетині гігантських перехресних ниток матерії, які утворюють гобелен космосу. Оскільки гравітація тягне все в кожному скупченні галактик до його центру, газ, який заповнює простір між галактиками, стискається, змушуючи його нагріватися і світитися в рентгенівських променях.

Рентгенівський телескоп eRosita, піднятий у космос у 2019 році, понад два роки збирав сигнали високоенергетичного світла з усього неба. Ці дані дозволили вченим нанести на карту розташування та розміри тисяч скупчень галактик, дві третини з яких раніше були невідомі. в купа паперів опубліковано в Інтернеті 14 лютого, яке буде опубліковано в журналі Astronomy & Astrophysics, вчені використовували свій початковий каталог кластерів, щоб зважити кілька важливих питань космології.

Результати включають нові оцінки громіздкості космосу - часто обговорювана характеристика останнього часу, оскільки інші нещодавні вимірювання показали, що воно несподівано гладке — і маси примарних частинок, які називаються нейтрино, і ключової властивості темної енергії, таємничої енергії відштовхування, яка прискорює розширення Всесвіту.

Сучасна модель Всесвіту космологів визначає темну енергію як енергію самого космосу та прив’язує її до 70% вмісту Всесвіту. Ще одну чверть Всесвіту становить невидима темна матерія, а 5% — звичайна матерія та випромінювання. Все це розвивається під дією сили тяжіння. Але деякі спостереження за останнє десятиліття суперечать цій «стандартній моделі» космології, підвищуючи ймовірність того, що в моделі відсутні інгредієнти або ефекти, які могли б започаткувати глибше розуміння.

Спостереження eRosita, навпаки, підтверджують існуючу картину за всіма пунктами. «Це чудове підтвердження стандартної моделі», — сказав він Драган Хутерер, космолог з Мічиганського університету, який не брав участі в роботі.

Рентгенівське дослідження космосу

Після Великого вибуху тонкі варіації щільності у новонародженому Всесвіті поступово ставали більш виразними, оскільки частинки матерії налітали одна на одну. Більш щільні згустки втягували більше матеріалу і ставали більшими. Сьогодні скупчення галактик є найбільшими гравітаційно пов’язаними структурами в космосі. Визначення їх розмірів і розподілу дозволяє космологам перевірити свою модель розвитку Всесвіту.

Щоб знайти кластери, команда eRosita навчила комп’ютерний алгоритм шукати «справді пухнасті» джерела рентгенівського випромінювання на відміну від точкових об’єктів. Есра Бюльбюль з Інституту позаземної фізики Макса Планка в Гархінге, Німеччина, який керував кластерними спостереженнями eRosita. Вони скоротили список кандидатів до «надзвичайно чистої вибірки», за її словами, з 5,259 скупчень галактик із майже 1 мільйона джерел рентгенівського випромінювання, які виявив телескоп.

Потім вони повинні були визначити, наскільки важкі ці скупчення. Масивні об’єкти згинають тканину простору-часу, змінюючи напрямок світла, що проходить, і змушуючи джерело світла виглядати спотвореним — це явище називається гравітаційним лінзуванням. Вчені eRosita змогли розрахувати маси деяких з 5,259 кластерів на основі лінзування більш віддалених галактик, що знаходяться позаду них. Хоча лише третина їхніх скупчень мала відомі фонові галактики, розташовані таким чином, вчені виявили, що маса скупчення тісно корелює з яскравістю їхнього рентгенівського випромінювання. Завдяки цій сильній кореляції вони могли використовувати яскравість для оцінки маси інших кластерів.

Потім вони ввели масову інформацію в комп’ютерне моделювання космосу, що розвивається, щоб зробити висновок про значення космічних параметрів.

Вимірювання грудкуватості

Одним із показників інтересу є «фактор громіздкості» Всесвіту, S₈. S₈ нульове значення представляло б величезне космічне небуття, схоже на плоску рівнину з жодною скелею в полі зору. Ан S₈ значення ближче до 1 відповідає крутим горам, що нависають над глибокими долинами. Вчені підрахували S₈ на основі вимірювань космічного мікрохвильового фону (CMB) — стародавнього світла, що надходить із раннього Всесвіту. Екстраполюючи вихідні коливання щільності космосу, дослідники очікують течії S₈ значення 0.83.

але недавні дослідження спостерігаючи за галактиками сьогодні, виміряні значення на 8-10% нижчі, що означає, що Всесвіт неочікувано гладкий. Ця невідповідність заінтригувала космологів, потенційно вказуючи на тріщини в стандартній космологічній моделі.

Однак команда eRosita не виявила такої розбіжності. «Наш результат в основному відповідав прогнозу з дуже раннього часу, від CMB», — сказав Вітторіо Гірардіні, який проводив аналіз. Він і його колеги підрахували S₈ з 0.85.

Деякі члени команди були розчаровані, сказав Гірардіні, оскільки натяк на відсутні інгредієнти був більш захоплюючою перспективою, ніж відповідність відомої теорії.

S₈ Зазначається, що вартість, яка буде трохи вищою за оцінку CMB, ймовірно, викличе додаткові аналізи з боку інших команд Герріт Шелленбергер, астрофізик, який вивчає скупчення галактик у Гарвардсько-Смітсонівському центрі астрофізики. «Я вважаю, що це, ймовірно, не остання стаття, яку ми бачили на цю тему».

Зважування нейтрино

Велика кількість нейтрино утворилася в ранньому Всесвіті — майже стільки ж, скільки фотонів (частинок світла), сказав Марілена Ловерде, космолог Вашингтонського університету. Але фізики знають, що нейтрино, на відміну від фотонів, повинні мати крихітні маси через те, як вони коливаються між трьома типами. Частинки не набувають маси за допомогою того самого механізму, що й інші елементарні частинки, тому їхня маса є загадкою, яку багато вивчили. І перше питання полягає в тому, наскільки вони насправді масивні.

Космологи можуть оцінити масу нейтрино, вивчаючи їх вплив на структуру космосу. Нейтрино обертаються майже зі швидкістю світла й проходять крізь іншу матерію, а не налітають на неї. Тож їхня присутність у космосі послабила його громіздкість. «Чим більшу масу ви надаєте нейтрино, тим більша маса буде гладкою на цих [великих] масштабах», — сказав Ловерде.

Об’єднавши вимірювання кластерів галактик із вимірюваннями CMB, команда eRosita підрахувала, що сума мас трьох типів нейтрино становить не більше 0.11 електрон-вольт (еВ), або менше мільйонної частки маси електрона. Інші експерименти з нейтрино мають встановлено нижню межу, показуючи, що сума трьох мас нейтрино повинна складати принаймні 0.06 еВ (для одного можливого впорядкування трьох значень маси) або 0.1 еВ (для оберненого порядку). Оскільки відстань між верхньою та нижньою межами зменшується, вчені наближаються до точного визначення значення маси нейтрино. «Ми фактично на межі прориву», — сказав Бюльбюль. У наступних випусках даних команда eRosita могла б знизити верхню межу настільки, щоб виключити моделі маси нейтрино інвертованого порядку.

Обережність виправдана. Будь-які інші швидкі, легкі частинки, які можуть існувати, наприклад аксіони, гіпотетичні частинки, запропоновані як кандидати на роль темної матерії, матимуть такий же вплив на формування структури. І вони внесли б помилки у вимірювання маси нейтрино.

Відстеження темної енергії

Вимірювання скупчень галактик може виявити не тільки те, як виростали структури, але й те, як їхньому зростанню перешкоджала темна енергія — тонка глазур відразливої ​​енергії, яка пронизує простір, прискорюючи розширення простору і, таким чином, розділяючи матерію.

Якщо темна енергія є енергією самого простору, як передбачає стандартна модель космології, то вона матиме постійну густину в просторі та часі (ось чому її іноді називають космологічною сталою). Але якщо його щільність з часом падає, то це зовсім інше. «Це найбільше питання, яке має космологія», — сказав Себастьян Грандіс, член команди eRosita з університету Інсбрука в Австрії.

На своїй карті тисяч кластерів дослідники виявили, що темна енергія відповідає профілю космологічної константи, хоча їх вимірювання має 10% похибки, тому щільність темної енергії, яка дуже незначно змінюється, залишається можливою.

Спочатку eRosita, який знаходиться на борту російського космічного корабля, мав провести вісім оглядів повного неба, але в лютому 2022 року, через кілька тижнів після того, як телескоп почав своє п’яте дослідження, Росія вторглася в Україну. У відповідь німецька сторона колаборації, яка керує та керує eRosita, перевела телескоп у безпечний режим, припинивши всі наукові спостереження.

Ці початкові документи опираються на дані лише за перші шість місяців. Німецька група очікує знайти приблизно в чотири рази більше скупчень галактик протягом додаткових 1.5 років спостережень, що дозволить визначити всі ці космологічні параметри з більшою точністю. «Кластерна космологія може бути найчутливішим космологічним зондом, крім CMB», — сказав Аня фон дер Лінден, астрофізик в Університеті Стоуні Брук.

Їх початкові результати демонструють потужність відносно невикористаного джерела інформації. «Ми на кшталт новачка в цьому блоці», — сказав Грандіс.