ความหนาแน่นของกาแลคซีในฟิลด์ Cosmic Evolution Survey (COSMOS) ที่มีสีเป็นตัวแทน redshift ของกาแลคซีตั้งแต่ redshift 0.2 (สีน้ำเงิน) ถึง 1 (สีแดง) รูปทรง X-ray สีชมพูแสดงการแผ่รังสีเอ็กซ์เรย์แบบขยายตามที่สังเกตโดย XMM-Newton
สสารมืด (อันที่จริงเย็นมืด - ไม่ใช่แบริออน - สสาร) สามารถตรวจพบได้โดยอิทธิพลแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ในกระจุกกาแลคซีและกลุ่มของกาแลคซีอิทธิพลนั้นแสดงให้เห็นว่าเลนส์แรงโน้มถ่วงอ่อนซึ่งยากที่จะตอกตะปูลง วิธีหนึ่งที่จะประมาณการระดับความโน้มถ่วงของเลนส์ได้อย่างแม่นยำมากขึ้นและการกระจายสสารมืดคือการใช้การแผ่รังสีเอกซ์จากพลาสม่าแบบอินทรา - คลัสเตอร์เพื่อหาจุดศูนย์กลางของมวล
และนั่นก็เป็นสิ่งที่ทีมนักดาราศาสตร์เพิ่งทำไป…และพวกเขาได้เป็นครั้งแรกทำให้เราเข้าใจว่าสสารมืดได้วิวัฒนาการมาอย่างไรในช่วงหลายพันล้านปีที่ผ่านมา
COSMOS เป็นการสำรวจทางดาราศาสตร์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแลคซีในฐานะที่เป็นหน้าที่ของเวลาของจักรวาล (redshift) และสภาพแวดล้อมของโครงสร้างขนาดใหญ่ การสำรวจครอบคลุมพื้นที่เส้นศูนย์สูตร 2 ตารางองศาด้วยการถ่ายภาพโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่สำคัญส่วนใหญ่ (รวมถึงฮับเบิลและ XMM- นิวตัน) และกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินจำนวนหนึ่ง
การทำความเข้าใจธรรมชาติของสสารมืดเป็นหนึ่งในคำถามเปิดที่สำคัญในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ หนึ่งในวิธีการหนึ่งที่ใช้ในการตอบคำถามนี้นักดาราศาสตร์ใช้ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและความส่องสว่างที่พบสำหรับกระจุกกาแลคซีซึ่งเชื่อมโยงการปล่อยรังสีเอกซ์ของพวกมันซึ่งบ่งบอกถึงมวลสามัญ (“ baryonic”) เพียงอย่างเดียว แน่นอนว่าสสารแบริออนรวมถึงอิเล็กตรอนซึ่งเป็นเลปตัน!) และมวลรวมของพวกมัน (สสารแบริออนและสสารมืด) ตามที่กำหนดโดยเลนส์โน้มถ่วง
ในวันที่ความสัมพันธ์ได้รับการจัดตั้งขึ้นสำหรับกลุ่มใกล้เคียง งานใหม่โดยความร่วมมือระหว่างประเทศรวมถึง Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), ห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่ง Marseilles (LAM) และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ได้ก้าวหน้าอย่างมากในการขยายความสัมพันธ์ไปไกล และโครงสร้างที่เล็กกว่าที่เป็นไปได้ก่อนหน้านี้
เพื่อสร้างการเชื่อมโยงระหว่างการปล่อยรังสีเอกซ์และสสารมืดพื้นฐานทีมหนึ่งได้ใช้ตัวอย่างที่ใหญ่ที่สุดของกลุ่มที่ได้รับการคัดเลือกด้วยรังสีเอกซ์และกลุ่มของกาแลคซีซึ่งผลิตโดย XMM-Newton หอดูดาวของ ESA
กลุ่มและกลุ่มของกาแลคซีสามารถพบได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้การแผ่รังสีเอกซ์ที่ขยายออกของพวกเขาในเกล็ดย่อยอาร์คมิน เนื่องจากพื้นที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่ XMM- นิวตันเป็นกล้องโทรทรรศน์เอ็กซ์เรย์เพียงตัวเดียวที่สามารถตรวจจับการปล่อยระดับจาง ๆ จากกลุ่มที่ห่างไกลและกระจุกกาแลคซี
“ ความสามารถของ XMM-Newton ในการจัดทำแคตตาล็อกขนาดใหญ่ของกลุ่มกาแลคซีในทุ่งลึกนั้นน่าประหลาดใจ” Alexis Finoguenov จาก MPE และ University of Maryland ผู้ร่วมเขียนรายงาน Astrophysical Journal (ApJ) ของทีมกล่าว ผล.
เนื่องจากรังสีเอกซ์เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการค้นหาและจำแนกกลุ่มกระจุกดาวการศึกษาติดตามผลส่วนใหญ่จึงถูก จำกัด ให้อยู่ในกลุ่มที่ค่อนข้างใกล้เคียงและกระจุกกาแลคซี
“ ด้วยแคตตาล็อกที่ไม่เคยมีมาก่อนจาก XMM-Newton ทำให้เราสามารถขยายการตรวจวัดมวลไปยังโครงสร้างที่เล็กกว่ามากซึ่งมีอยู่ก่อนหน้านี้มากในประวัติศาสตร์ของจักรวาล” Alexie Leauthaud จากแผนกฟิสิกส์ของ Berkeley Lab ผู้เขียนคนแรกของ การศึกษา ApJ
เลนส์ความโน้มถ่วงเกิดขึ้นเนื่องจากมวลโค้งพื้นที่รอบ ๆ มันโค้งงอเส้นทางของแสง: ยิ่งมีมวลมากขึ้น (และยิ่งเข้าใกล้จุดศูนย์กลางมวลมาก) ยิ่งมีช่องว่างมากเท่าไหร่ภาพของวัตถุที่อยู่ห่างไกลก็ยิ่งถูกเคลื่อนย้ายและ บิดเบี้ยว. ดังนั้นการวัดความผิดเพี้ยนหรือ 'เฉือน' จึงเป็นกุญแจสำคัญในการวัดมวลของวัตถุที่มีเลนส์
ในกรณีของเลนส์ความโน้มถ่วงอ่อนแอ (ตามที่ใช้ในการศึกษานี้) แรงเฉือนนั้นละเอียดเกินกว่าจะมองเห็นได้โดยตรง แต่การบิดเบือนเพิ่มเติมเล็กน้อยในกลุ่มกาแลคซีไกลโพ้นสามารถคำนวณได้ทางสถิติและค่าเฉลี่ยเฉือนเนื่องจากเลนส์ของวัตถุขนาดใหญ่ วัตถุด้านหน้าของพวกเขาสามารถคำนวณได้ อย่างไรก็ตามในการคำนวณมวลเลนส์จากแรงเฉือนเฉลี่ยเราจำเป็นต้องรู้จุดศูนย์กลางของเลนส์
Leauthaud กล่าวว่าปัญหาของกระจุกดาวที่มีการเปลี่ยนสีแดงสูงเป็นเรื่องยากที่จะตรวจสอบว่ากาแลคซีใดอยู่ตรงกลางของกระจุกดาวนั้น Leauthaud กล่าว “ นั่นคือที่ที่รังสีเอกซ์ช่วย ความส่องสว่างของเอ็กซ์เรย์จากกระจุกกาแลคซีสามารถใช้ในการค้นหาจุดศูนย์กลางได้อย่างแม่นยำมาก”
เมื่อรู้จุดศูนย์กลางของมวลจากการวิเคราะห์การปล่อยรังสีเอกซ์ Leauthaud และเพื่อนร่วมงานสามารถใช้เลนส์ที่อ่อนแอเพื่อประเมินมวลรวมของกลุ่มที่อยู่ห่างไกลและกระจุกดาวที่มีความแม่นยำมากกว่าที่เคยเป็นมา
ขั้นตอนสุดท้ายคือการตรวจสอบความส่องสว่างของเอ็กซ์ - เรย์ของกระจุกกาแลคซีแต่ละแห่งและพล็อตเทียบกับมวลที่พิจารณาจากเลนส์ที่อ่อนแอด้วยความสัมพันธ์ระหว่างความส่องสว่างที่เกิดขึ้นกับชุดสะสมของกลุ่มและกลุ่มใหม่ ฟิสิกส์ ภายในความไม่แน่นอนที่คำนวณได้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้มีความชันตรงเดียวกันจากกระจุกกาแลคซีใกล้เคียงไปจนถึงอันไกลโพ้น ปัจจัยการปรับสเกลที่สอดคล้องกันอย่างง่ายเกี่ยวข้องกับมวลรวม (baryonic บวกความมืด) ของกลุ่มหรือคลัสเตอร์กับความสว่าง x-ray ของมัน, หลังวัดมวล baryonic เพียงอย่างเดียว
“ จากการยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างมวลและความส่องสว่างและขยายไปสู่การเปลี่ยนเกียร์ที่สูงเราได้ก้าวไปในทิศทางที่ถูกต้องไปสู่การใช้เลนส์ที่อ่อนแอเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในการวัดวิวัฒนาการของโครงสร้าง” Jean-Paul Kneib ผู้ร่วมเขียนกล่าว ของกระดาษ ApJ จาก LAM และศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติของฝรั่งเศส (CNRS)
ต้นกำเนิดของกาแลคซีสามารถย้อนกลับไปสู่ความแตกต่างเล็กน้อยในความหนาแน่นของเอกภพยุคเริ่มต้นที่ร้อนแรง ร่องรอยของความแตกต่างเหล่านี้ยังคงถูกมองว่าเป็นความแตกต่างของอุณหภูมินาทีในพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB) - จุดร้อนและเย็น
“ รูปแบบที่เราสังเกตเห็นในท้องฟ้าไมโครเวฟโบราณแสดงให้เห็นถึงสำนักพิมพ์ที่พัฒนาอยู่ตลอดเวลาในการสร้างนั่งร้านสสารมืดของกาแลคซีสำหรับกาแลคซีที่เราเห็นในวันนี้” จอร์จสมูตผู้อำนวยการศูนย์ฟิสิกส์จักรวาลวิทยา วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียที่เบิร์กลีย์และสมาชิกของแผนกฟิสิกส์ของเบิร์กลีย์แล็บ Smoot ได้แชร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2549 สำหรับการวัด Anisotropies ใน CMB และเป็นหนึ่งในผู้แต่งบทความของ ApJ “ มันเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากที่เราสามารถวัดได้ด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงว่าสสารมืดนั้นทรุดตัวลงและมีวิวัฒนาการมาตั้งแต่ต้น”
เป้าหมายหนึ่งในการศึกษาวิวัฒนาการของโครงสร้างคือการเข้าใจสสารมืดและวิธีการที่มันโต้ตอบกับสสารปกติที่เราเห็น เป้าหมายอีกประการหนึ่งคือการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานมืดปรากฏการณ์ลึกลับที่ผลักสสารออกจากกันและทำให้จักรวาลขยายตัวในอัตราเร่ง คำถามจำนวนมากยังคงไม่ได้รับคำตอบ: พลังงานมืดคงที่หรือเป็นแบบไดนามิกหรือไม่? หรือเป็นเพียงภาพลวงตาที่เกิดจากข้อ จำกัด ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein?
เครื่องมือที่จัดทำโดยความสัมพันธ์ระหว่างมวลและความส่องสว่างที่ขยายออกไปจะทำอะไรได้มากมายเพื่อตอบคำถามเหล่านี้เกี่ยวกับบทบาทตรงข้ามของแรงโน้มถ่วงและพลังงานมืดในการสร้างจักรวาลทั้งในปัจจุบันและอนาคต
แหล่งที่มา: ESA และบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Astrophysical Journal ฉบับวันที่ 20 มกราคม 2010 (arXiv: 0910.5219 เป็นฉบับพิมพ์ล่วงหน้า)
