最新的 X 射线揭示了一个像宇宙学预测的那样块状的宇宙广达杂志

由数百或数千个星系组成的星系团坐落在巨大的、纵横交错的物质细丝的交叉点上，这些物质细丝形成了宇宙的挂毯。当引力将每个星系团中的所有物体拉向其中心时，填充星系之间空间的气体被压缩，导致其升温并发出 X 射线。

eRosita X 射线望远镜于 2019 年升入太空，花了两年多的时间收集来自整个天空的高能光脉冲。这些数据使科学家能够绘制数千个星系团的位置和大小，其中三分之二以前是未知的。在 一大堆文件 14月XNUMX日发布在网上，并将出现在期刊中 天文学与天体物理学，科学家们利用他们最初的星团目录来权衡宇宙学的几个重大问题。

结果包括对宇宙团块的新估计—— 最近被广泛讨论的一个特征，正如其他最近的测量发现它出乎意料地光滑一样——还有大量被称为中微子的幽灵般的粒子，以及暗能量的一个关键特性，暗能量是一种加速宇宙膨胀的神秘排斥能量。

宇宙学家的宇宙主导模型将暗能量视为空间本身的能量，并将其固定在宇宙内容物的 70% 中。宇宙还有四分之一是不可见的暗物质，5%是普通物质和辐射。所有这一切都在重力的作用下演变。但过去十年的一些观察结果违背了这种宇宙学的“标准模型”，这增加了该模型缺少可能带来更深入理解的成分或效应的可能性。

相比之下，eRosita 的观测结果在所有方面都支持了现有的情况。 “这是对标准模型的显着确认，”说 德拉甘·胡特雷尔密歇根大学的宇宙学家，没有参与这项工作。

用 X 射线照射宇宙

大爆炸之后，随着物质粒子相互粘连，新生宇宙中微妙的密度变化逐渐变得更加明显。更密集的团块吸收了更多的物质并变得更大。如今，星系团是宇宙中最大的引力束缚结构。确定它们的大小和分布可以让宇宙学家测试他们的宇宙演化模型。

为了找到星团，eRosita 团队训练了一种计算机算法来寻找“真正蓬松”的 X 射线源，而不是点状物体，说 埃斯拉·布尔布尔 德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所的研究员，领导了 eRosita 的星团观测。她说，他们从望远镜检测到的近 5,259 万个 X 射线源中，将候选者名单缩减为“极其纯净的样本”，其中包括 1 个星系团。

然后他们必须弄清楚这些星团有多重。巨大的物体会弯曲时空结构，改变光线通过的方向，使光源看起来扭曲——这种现象称为引力透镜效应。 eRosita 的科学家可以根据位于 5,259 个星系团后面的更遥远星系的透镜效应来计算其中一些星系团的质量。虽然只有三分之一的星团已知背景星系以这种方式排列，但科学家发现星团质量与其 X 射线的亮度密切相关。由于这种强相关性，他们可以利用亮度来估计剩余星团的质量。

然后，他们将大量信息输入到不断演化的宇宙的计算机模拟中，以推断宇宙参数的值。

测量结块度

一个有趣的数字是宇宙的“聚集因子”， S₈。 一个 S₈ 零值代表着广阔的宇宙虚无，类似于一片平坦的平原，看不到任何岩石。一个 S₈ 接近 1 的值对应于陡峭的山脉隐现于深谷之上。科学家估计 S₈ 基于宇宙微波背景（CMB）——来自早期宇宙的古老光的测量。根据宇宙的初始密度变化推断，研究人员预计当前的密度 S₈ 值为 0.83。

但是， 最近的研究 今天观察星系，测量值降低了 8% 到 10%，这意味着宇宙出乎意料地光滑。这种差异引起了宇宙学家的兴趣，可能表明标准宇宙学模型存在缺陷。

然而，eRosita 团队没有发现这样的差异。 “我们的结果与CMB很早就的预测基本一致，”说 维托里奥·吉拉迪尼，谁领导了分析。他和他的同事计算了 S₈ 0.85。

吉拉迪尼说，一些团队成员感到失望，因为暗示缺失的成分比匹配已知的理论更令人兴奋。

在S₈ 表示，价值略高于 CMB 的估计可能会引发其他团队的更多分析 格里特·谢伦伯格是一位天体物理学家，在哈佛-史密森天体物理中心研究星系团。 “我相信这可能不是我们看到的关于该主题的最后一篇论文。”

称量中微子

早期宇宙中形成了大量的中微子——几乎与光子（光粒子）一样多，说 玛丽莱娜·洛弗德华盛顿大学宇宙学家。但物理学家知道，中微子与光子不同， 必须有微小的质量 因为它们如何在三种类型之间摇摆。这些粒子不会通过与其他基本粒子相同的机制获得质量，因此它们的质量是一个被广泛研究的谜团。第一个问题是它们实际上有多大。

宇宙学家可以通过研究中微子对宇宙结构的影响来估计中微子的质量。中微子以接近光速的速度快速旋转，直接穿过其他物质，而不是落在它上面。因此，它们在宇宙中的存在削弱了宇宙的聚集性。洛弗德说：“中微子的质量越大，在[大]尺度上平滑的质量就越多。”

eRosita 团队将星系团测量与 CMB 测量相结合，估计三种中微子的质量总和不超过 0.11 电子伏特 (eV)，或小于电子质量的百万分之一。其他中微子实验有 设定了下限，表明三个中微子质量之和必须至少为 0.06 eV（对于三个质量值的一种可能排序）或 0.1 eV（对于倒序）。随着上限和下限之间的距离缩小，科学家们越来越接近确定中微子质量的值。 “我们实际上正处于突破的边缘，”布尔布尔说。在随后的数据发布中，eRosita 团队可以将上限推低到足以排除倒序中微子质量模型的可能性。

需要谨慎行事。任何其他可能存在的快速、轻质粒子，例如 轴心，被提议作为暗物质候选者的假设粒子——将对结构形成产生相同的影响。他们会给中微子质量测量带来误差。

追踪暗能量

星系团测量不仅可以揭示结构如何生长，还可以揭示暗能量如何阻碍它们的生长——暗能量是一层薄薄的排斥能量，渗透到太空中，加速空间膨胀，从而分离物质。

如果暗能量是空间本身的能量，正如宇宙学标准模型所假设的那样，那么它将在整个空间和时间中具有恒定的密度（这就是为什么它有时被称为宇宙学常数）。但如果它的密度随着时间的推移而下降，那就完全是另一回事了。 “这是宇宙学面临的最大问题，”奥地利因斯布鲁克大学 eRosita 团队成员塞巴斯蒂安·格兰迪斯 (Sebastian Grandis) 说。

从数千个星团的地图中，研究人员发现暗能量与宇宙学常数的轮廓相匹配，尽管他们的测量有 10% 的不确定性，因此暗能量密度的微小变化仍然是可能的。

最初，搭载在俄罗斯航天器上的 eRosita 计划进行八次全天观测，但在 2022 年 XNUMX 月，即该望远镜开始第五次观测几周后，俄罗斯入侵了乌克兰。作为回应，负责运营 eRosita 的德国方面将望远镜置于安全模式，停止了所有科学观测。

这些最初的论文仅取自前六个月的数据。德国研究小组预计在额外 1.5 年的观测中将发现大约四倍数量的星系团，这将使所有这些宇宙学参数得到更准确的定位。 “星团宇宙学可能是宇宙微波背景之外最敏感的宇宙学探测器，”说 安雅·冯·德·林登，石溪大学天体物理学家。

他们的初步结果证明了相对未开发的信息源的力量。 “我们是这个领域的新来者，”格兰迪斯说。