Плотность галактик в поле Cosmic Evolution Survey (COSMOS), с цветами, представляющими красное смещение галактик, в диапазоне от красного смещения от 0,2 (синий) до 1 (красный). Розовые рентгеновские контуры показывают расширенное рентгеновское излучение, наблюдаемое XMM-Newton.
Темная материя (на самом деле холодная, темная - не барионная - материя) может быть обнаружена только по ее гравитационному воздействию. В скоплениях и группах галактик это влияние проявляется в виде слабого гравитационного линзирования, которое трудно зафиксировать. Одним из способов гораздо более точной оценки степени гравитационного линзирования и, следовательно, распределения темной материи, является использование рентгеновского излучения горячей внутрикластерной плазмы для определения центра масс.
И это именно то, что недавно сделала команда астрономов ... и они впервые дали нам представление о том, как темная материя развивалась за последние много миллиардов лет.
COSMOS - это астрономический обзор, предназначенный для исследования формирования и эволюции галактик в зависимости от космического времени (красное смещение) и крупномасштабной структуры структуры. Обследование охватывает экваториальное поле площадью 2 квадратных градуса с изображениями большинства основных космических телескопов (включая Хаббл и ХММ-Ньютон) и ряда наземных телескопов.
Понимание природы темной материи является одним из ключевых открытых вопросов современной космологии. В одном из подходов, используемых для решения этого вопроса, астрономы используют соотношение между массой и светимостью, которое было обнаружено для скоплений галактик, которое связывает их рентгеновское излучение, что указывает на массу только обычной («барионной») материи ( Конечно, барионная материя включает в себя электроны, которые являются лептонами!), и их суммарные массы (барионная и темная материя), определенные с помощью гравитационного линзирования.
На сегодняшний день отношения были установлены только для соседних кластеров. Новая работа международного сотрудничества, в том числе Института внеземной физики им. Макса Планка (MPE), Лаборатории астрофизики Марселя (LAM) и Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), добилась значительных успехов в расширении отношений до более отдаленных и меньшие структуры, чем было возможно ранее.
Чтобы установить связь между рентгеновским излучением и темной материей, лежащей в основе, группа использовала одну из самых больших выборок рентгеновских групп и скоплений галактик, полученных рентгеновской обсерваторией ЕКА, XMM-Newton.
Группы и скопления галактик могут быть эффективно найдены с помощью их расширенного рентгеновского излучения в масштабах ниже дуговых минут. В результате своей большой эффективной площади XMM-Newton является единственным рентгеновским телескопом, который может обнаружить слабый уровень излучения от отдаленных групп и скоплений галактик.
«Способность XMM-Newton предоставлять большие каталоги групп галактик в глубоких полях удивительна», - сказал Алексис Финогуенов из MPE и Университета Мэриленда, соавтор недавней статьи Astrophysical Journal (ApJ), в которой сообщалось о Результаты.
Так как рентгеновские лучи - лучший способ найти и охарактеризовать скопления, большинство последующих исследований до сих пор были ограничены относительно близкими группами и скоплениями галактик.
«Учитывая беспрецедентные каталоги, предоставленные XMM-Newton, мы смогли распространить измерения массы на гораздо меньшие структуры, которые существовали намного раньше в истории Вселенной», - говорит Алексей Леаут из Физического отдела лаборатории Беркли, первый автор исследование ApJ.
Гравитационное линзирование происходит потому, что масса искривляет пространство вокруг него, изгибая путь света: чем больше масса (и чем ближе она к центру масс), тем больше пространства изгибается, и тем больше изображение удаленного объекта смещается и искажается. Таким образом, измерение искажения, или «сдвига», является ключом к измерению массы объекта линзирования.
В случае слабого гравитационного линзирования (как используется в этом исследовании) сдвиг слишком тонкий, чтобы его можно было увидеть непосредственно, но слабые дополнительные искажения в совокупности отдаленных галактик можно рассчитать статистически, а средний сдвиг из-за линзирования некоторых массивных объект перед ними может быть вычислен. Однако, чтобы рассчитать массу линзы по среднему сдвигу, нужно знать ее центр.
«Проблема с кластерами с высоким красным смещением заключается в том, что трудно точно определить, какая галактика находится в центре кластера», - говорит Леауто. «Вот где рентген помогает. Рентгеновское свечение от скопления галактик может быть использовано для очень точного определения его центра ».
Зная центры масс из анализа рентгеновского излучения, Leauthaud и его коллеги могли затем использовать слабое линзирование для оценки общей массы удаленных групп и скоплений с большей точностью, чем когда-либо прежде.
Последний шаг заключался в определении рентгеновской светимости каждого скопления галактик и построении ее в зависимости от массы, определенной по слабому линзированию, с результирующим соотношением масса-светимость для новой коллекции групп и скоплений, расширяющей предыдущие исследования до более низких масс и более высоких красное смещение. В пределах вычисляемой неопределенности отношение следует тому же прямому наклону от соседних скоплений галактик до отдаленных; простой согласованный коэффициент масштабирования связывает общую массу (барионная и темная) группы или кластера с их яркостью рентгеновского излучения, причем последняя измеряет только барионную массу.
«Подтвердив соотношение массы и светимости и расширив его до больших красных смещений, мы сделали небольшой шаг в правильном направлении к использованию слабых линз в качестве мощного инструмента для измерения эволюции структуры», - говорит соавтор Жан-Поль Кнейб. работы ApJ от LAM и Национального центра научных исследований Франции (CNRS).
Происхождение галактик можно проследить до небольших различий в плотности горячей, ранней Вселенной; следы этих различий все еще можно рассматривать как незначительные температурные различия на космическом микроволновом фоне (CMB) - горячие и холодные точки.
«Изменения, которые мы наблюдаем в древнем микроволновом небе, представляют собой отпечатки, которые со временем превратились в космические леса темной материи для галактик, которые мы видим сегодня», - говорит Джордж Смут, директор Центра космологической физики Беркли (BCCP), профессор физики в Калифорнийском университете в Беркли, и член физического отдела лаборатории Беркли. Смут поделился Нобелевской премией по физике 2006 года за измерение анизотропии в CMB и является одним из авторов статьи ApJ. «Очень интересно, что мы можем измерить гравитационным линзированием, как темная материя разрушалась и развивалась с самого начала».
Одна из целей изучения эволюции структуры - понять саму темную материю и то, как она взаимодействует с обычной материей, которую мы можем видеть. Другая цель - узнать больше о темной энергии, таинственном явлении, которое раздвигает материю и заставляет Вселенную расширяться с ускоряющейся скоростью. Многие вопросы остаются без ответа: постоянна ли темная энергия или она динамична? Или это просто иллюзия, вызванная ограничением в общей теории относительности Эйнштейна?
Инструменты, предоставляемые расширенными отношениями масса-светимость, сделают многое, чтобы ответить на эти вопросы о противоположных ролях гравитации и темной энергии в формировании Вселенной сейчас и в будущем.
Источники: ESA и статья, опубликованная в выпуске Astrophysical Journal от 20 января 2010 г. (препринт arXiv: 0910.5219)
