Густина галаксије у пољу истраживања космичке еволуције (ЦОСМОС), са бојама које представљају црвено померање галаксија, у распону од црвеног померања од 0,2 (плава) до 1 (црвена). Ружичасте рендгенске контуре показују продужену емисију к-зрака као што је примећена КСММ-Невтон.
Тамна материја (заправо хладна, тамна - небаријенска материја) може се детектовати само њеним гравитационим утицајем. У кластерима и групама галаксија, тај утицај се показује као слабо гравитационо сочиво, које је тешко забити. Један од начина да се много прецизније процени степен гравитационог сочивања - и тако расподјела тамне материје - јесте да се користи рендгенска емисија из плазме вруће унутар кластера да се пронађе центар масе.
И то је управо оно што је тим астронома недавно урадио ... и они су нам, по први пут, дали одговор на то како се тамна материја развијала током последњих више милијарди година.
ЦОСМОС је астрономско истраживање намењено испитивању формирања и еволуције галаксија као функције космичког времена (црвено померање) и окружења великих размера. Истраживање обухвата екваторијално поље од 2 квадратна степена са снимцима већине главних свемирских телескопа (укључујући Хуббле и КСММ-Невтон) и великог броја земаљских телескопа.
Разумевање природе тамне материје једно је од кључних отворених питања у савременој космологији. У једном од приступа који се користе за решавање овог питања астрономи користе однос између масе и светлости који је пронађен за гроздове галаксија који повезују њихове рендгенске емисије, назнаку масе само обичне („барионске“) материје ( наравно, барионска материја укључује електроне, који су лептони!), и њихове укупне масе (барионски плус тамна материја) утврђене гравитационим сочивањем.
До данас је веза успостављена само за оближње кластере. Нови рад међународне сарадње, укључујући Институт Мака Планцка за ванземаљску физику (МПЕ), Лабораторију астрофизике Марсеја (ЛАМ) и Националну лабораторију Лавренцеа Беркелеија (Беркелеи Лаб), постигао је велики напредак у проширењу односа на удаљеније и мање грађевине него што је раније било могуће.
Да би успоставио везу између емисије рендгенских зрака и основне тамне материје, тим је користио један од највећих узорака рендгенско одабраних група и кластера галаксија, произведен од ЕСА-ове опсерваторије КСММ-Невтон.
Групе и гроздови галаксија могу се ефикасно пронаћи коришћењем њихове продужене рендгенске емисије на скалама под-арцминута. Као резултат свог великог ефективног подручја, КСММ-Невтон је једини рендгенски телескоп који може открити слаб ниво емисије из удаљених група и кластера галаксија.
„Способност КСММ-Невтона да пружа велике каталоге галаксијских група у дубоким пољима је запањујућа“, рекао је Алексис Финогуенов из МПЕ и Универзитета Мериленд, коаутор последњег рада Астрофизичког часописа (АпЈ) који је извештавао о тиму резултата.
Пошто су рендгенски зраци најбољи начин за проналажење и карактеризацију кластера, већина пратећих студија до сада је ограничена на релативно оближње групе и гроздове галаксија.
„С обзиром на невиђене каталоге које је пружио КСММ-Невтон, успели смо да проширимо мерења масе на много мање структуре, које су постојале много раније у историји Универзума,“ каже Алексе Леутхауд из одељења за физику Беркелеи Лаб-а, првог аутора часописа студија АпЈ.
Гравитационо сочивање настаје зато што маса закривљава простор око ње, савијајући путању светлости: што је већа маса (и што је ближе центру масе), то се више савија и простор се више помера и слика удаљеног објекта искривљена. Према томе, мерење изобличења или „смицање“ је кључно за мерење масе објекта који лећи.
У случају слабог гравитацијског сочива (како се користи у овој студији), смицање је сувише суптилно да би се могло директно видети, али слаба додатна изобличења у збирци удаљених галаксија могу се статистички израчунати, а просечно смицање услед лечења неких масивних објект испред њих може се израчунати. Међутим, да би се израчунала маса сочива из просечног смицања, потребно је знати њено средиште.
"Проблем са високо-црвеним кластерима је тај што је тешко одредити тачно која галаксија лежи у центру кластера", каже Леаутхауд. "У томе помажу рендгенски снимци. Свјетлост рендгенске зраке из галаксије може се користити тачно да се пронађе њен центар. "
Познавајући центре масе из анализе емисије рендгенских зрака, Леаутхауд и његови колеге тада су могли користити слаба сочива за процену укупне масе удаљених група и кластера са већом тачношћу него икада раније.
Завршни корак је био да се утврди рендгенска светлост сваког кластера галаксије и приреди она према маси утврђеној из слабог сочива, тако да је добијени однос масе и светлости за нову колекцију група и кластера проширио претходне студије на ниже масе и веће црвене промене. Унутар израчунате несигурности, однос прати исти правац од оближњих кластера галаксија до удаљених; једноставни константни скалирајући фактор повезује укупну масу (барионски плус мрачни) групе или кластера са њеном светлошћу рендгенских зрака, при чему овај задњи мери баријенску масу.
„Потврђујући однос светлосне масе и проширујући је на високе црвене промене направили смо мали корак у правом смеру ка коришћењу слабих сочива као моћног алата за мерење еволуције структуре“, каже Јеан-Паул Кнеиб, коаутор документа АпЈ из ЛАМ-а и Француског националног центра за научна истраживања (ЦНРС).
Порекло галаксија може се пратити до малих разлика у густини врућег, раног Универзума; трагови тих разлика још увек се могу видети као минутне разлике температуре у космичкој микроталасној позадини (ЦМБ) - топле и хладне тачке.
„Варијације које опажамо на древном микроталасном небу представљају утиске који су се временом развили у космичке скеле мрачне материје за галаксије које данас видимо“, каже Георге Смоот, директор Беркелеи Центра за космолошку физику (БЦЦП), професор физике на Калифорнијском универзитету у Берклију и члан Одељења за физику Беркелеи Лаб-а. Смоот је добио Нобелову награду за физику за мерење анизотропија у ЦМБ за 2006. годину и један је од аутора рада АпЈ. „Врло је узбудљиво што са гравитационим сочивањем заправо можемо измерити како се тамна материја урушава и развија од почетка.“
Један циљ проучавања еволуције структуре је разумевање саме тамне материје и начина на који она утиче на обичну материју коју можемо да видимо. Други циљ је научити више о тамној енергији, тајанственом феномену који раздваја материју и узрокује да се Универзум шири брзином убрзавања. Многа питања остају без одговора: Да ли је тамна енергија константна или је динамична? Или је то само илузија проузрокована ограничењем Аинстеинове Опште теорије релативности?
Алат који пружа проширени однос масе-осветљења учиниће много да одговори на ова питања о супротним улогама гравитације и тамне енергије у обликовању Универзума, сада и у будућности.
Извори: ЕСА и рад објављен у броју Астрофизичког часописа за 20. јануар 2010. (арКсив: 0910.5219 је претиспис)
