A galaxisok százaiból vagy ezreiből álló halmazok óriási, egymást keresztező anyagszálak metszéspontjában helyezkednek el, amelyek a kozmosz kárpitját alkotják. Ahogy a gravitáció minden egyes galaxishalmazban mindent a központja felé húz, a galaxisok közötti teret kitöltő gáz összenyomódik, ami felmelegszik és a röntgensugárzásban világít.

Az eRosita röntgenteleszkóp, amelyet 2019-ben emeltek ki az űrbe, több mint két évet töltött azzal, hogy nagy energiájú fényt gyűjtsön az ég minden tájáról. Az adatok lehetővé tették a tudósok számára, hogy feltérképezzék több ezer galaxishalmaz elhelyezkedését és méretét, amelyek kétharmada korábban ismeretlen volt. Ban ben egy rakás papírt február 14-én tette közzé az interneten, amely megjelenik a folyóiratban Csillagászat és asztrofizika, a tudósok kezdeti klaszterkatalógusukat használták fel, hogy mérlegeljék a kozmológia számos nagy kérdését.

Az eredmények új becsléseket tartalmaznak a kozmosz csomósságáról - az utóbbi időben sokat vitatott jellemzője, mivel más közelmúltbeli mérések azt találták, hogy ez váratlanul sima – és a neutrínónak nevezett szellemszerű részecskék tömege és a sötét energia egyik kulcsfontosságú tulajdonsága, a titokzatos taszító energia, amely felgyorsítja az univerzum tágulását.

A kozmológusok uralkodó világegyetem-modellje a sötét energiát magának a térnek az energiájaként azonosítja, és az univerzum tartalmának 70%-ához köti. Az univerzum további egynegyede láthatatlan sötét anyag, 5%-a pedig közönséges anyag és sugárzás. Mindez a gravitációs erő hatására fejlődik. Az elmúlt évtized egyes megfigyelései azonban megcáfolják a kozmológia „szabványos modelljét”, ami felveti annak lehetőségét, hogy a modellből hiányoznak olyan összetevők vagy hatások, amelyek mélyebb megértést eredményezhetnek.

Ezzel szemben az eRosita megfigyelések minden tekintetben megerősítik a meglévő képet. "Ez egy figyelemre méltó megerősítése a standard modellnek" - mondta Dragan Huterer, a Michigani Egyetem kozmológusa, aki nem vett részt a munkában.

A kozmosz röntgenfelvétele

Az Ősrobbanás után az újszülött univerzumban a finom sűrűségváltozások fokozatosan egyre hangsúlyosabbá váltak, ahogy az anyagrészecskék egymásra borultak. A sűrűbb csomók több anyagot húztak be, és nagyobbak lettek. Napjainkban a galaxishalmazok a kozmosz legnagyobb gravitációs kötött szerkezetei. Méretük és eloszlásuk meghatározása lehetővé teszi a kozmológusok számára, hogy teszteljék az univerzum fejlődésének modelljét.

A klaszterek megtalálásához az eRosita csapata kiképzett egy számítógépes algoritmust, amely „igazán bolyhos” röntgenforrásokat keres, nem pedig pontszerű objektumokat. Esra Bulbul a németországi garchingi Max Planck Földönkívüli Fizikai Intézet munkatársa, aki az eRosita klaszteres megfigyeléseit vezette. A jelöltek listáját a távcső által észlelt közel 5,259 millió röntgensugár-forrásból 1 galaxishalmaz „rendkívül tiszta mintájára” szűkítették le.

Ezután ki kellett találniuk, milyen nehézek ezek a klaszterek. A masszív objektumok meghajlítják a téridő szövetét, megváltoztatva az áthaladó fény irányát, és a fényforrást torznak tűnik – ezt a jelenséget gravitációs lencséknek nevezik. Az eRosita tudósai ki tudták számítani 5,259 halmazuk tömegét a mögöttük ülő távolabbi galaxisok lencséi alapján. Míg halmazaik csak egyharmadánál ismertek ilyen módon sorba rendezett háttérgalaxisok, a tudósok azt találták, hogy a halmaz tömege erősen korrelál a röntgensugarak fényességével. Ennek az erős korrelációnak köszönhetően a fényerőt használhatják a fennmaradó klaszterek tömegének becslésére.

Ezután a tömeginformációkat betáplálták a fejlődő kozmosz számítógépes szimulációiba, hogy következtessenek a kozmikus paraméterek értékére.

A csomósság mérése

Az egyik érdekesség az univerzum „rögösségi tényezője”, S₈. Egy S₈ a nulla érték egy hatalmas kozmikus semmit jelentene, hasonlóan egy lapos síksághoz, amelyen egy szikla látható. An S₈ az 1-hez közelebbi érték a mély völgyek fölött meredek hegyeknek felel meg. A tudósok megbecsülték S₈ a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) mérései alapján – a korai univerzumból származó ősi fény. A kozmosz kezdeti sűrűségváltozásaiból extrapolálva a kutatók az áramlatot várják S₈ értéke 0.83.

De a közelmúltban készített tanulmányok A mai galaxisokat tekintve 8-10%-kal alacsonyabb értékeket mérünk, ami arra utal, hogy az univerzum váratlanul sima. Ez az eltérés felkeltette a kozmológusok érdeklődését, potenciálisan a standard kozmológiai modell repedéseire utalva.

Az eRosita csapata azonban nem talált ilyen eltérést. „Eredményünk alapvetően megfelelt a CMB nagyon korai előrejelzésének” – mondta Vittorio Ghirardini, aki az elemzést vezette. Kollégáival kiszámolták egy S₈ A 0.85.

Néhány csapattag csalódott volt, mondta Ghirardini, mivel a hiányzó összetevőkre utalni izgalmasabb lehetőség, mint az ismert elmélettel való megfelelés.

Az S₈ A CMB becslésénél egy kicsit magasabb érték valószínűleg további elemzéseket fog kiváltani más csapatoktól, mondta Gerrit Schellenberger, egy asztrofizikus, aki galaxishalmazokat tanulmányoz a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicsben. "Úgy gondolom, hogy valószínűleg nem ez az utolsó cikk, amelyet ebben a témában láttunk."

Neutrinók mérlegelése

A korai univerzumban rengeteg neutrínó keletkezett – csaknem annyi, mint fotonok (fényrészecskék) Marilena Loverde, a Washingtoni Egyetem kozmológusa. De a fizikusok tudják, hogy a neutrínók a fotonokkal ellentétben apró tömegeknek kell lenniük mert hogyan oszcillálnak három típus között. A részecskék nem ugyanazzal a mechanizmussal nyernek tömeget, mint más elemi részecskék, így tömegük sokat tanulmányozott rejtély. És az első kérdés az, hogy valójában milyen tömegűek.

A kozmológusok megbecsülhetik a neutrínók tömegét a kozmosz szerkezetére gyakorolt ​​hatásuk tanulmányozásával. A neutrínók csaknem fénysebességgel cipzároznak, és áthaladnak más anyagokon, ahelyett, hogy rájuk borulnának. Tehát jelenlétük a kozmoszban csökkentette annak görcsösségét. „Minél nagyobb tömeget viszünk fel a neutrínókra, annál nagyobb a tömeg, amely sima a [nagy] skálákon” – mondta Loverde.

A galaxishalmaz-méréseiket a CMB-mérésekkel kombinálva az eRosita csapata úgy becsülte, hogy a háromféle neutrínó tömegének összege nem haladja meg a 0.11 elektronvoltot (eV), vagyis az elektron tömegének egy milliomod részét. Más neutrínókísérletek is alsó határt állapított meg, amely azt mutatja, hogy a három neutrínó tömegének össze kell adnia legalább 0.06 eV-ot (a három tömegérték egy lehetséges sorrendje esetén) vagy 0.1 eV-ot (fordított sorrend esetén). Ahogy a távolság csökken a felső és alsó határ között, a tudósok egyre közelebb kerülnek a neutrínótömeg értékének pontos meghatározásához. „Valójában az áttörés küszöbén állunk” – mondta Bulbul. A későbbi adatközlésekben az eRosita csapata eléggé lenyomhatja a felső határt ahhoz, hogy kizárja a fordított sorrendű neutrínótömeg-modelleket.

Az óvatosság indokolt. Bármilyen más gyors, könnyű részecskék, amelyek létezhetnek - mint pl axionok, a feltételezett részecskék, amelyeket a sötét anyag jelöltjeiként javasoltak – ugyanolyan hatással lennének a szerkezet kialakulására. És hibákat vezetnének be a neutrínótömeg mérésébe.

A sötét energia nyomon követése

A galaxishalmazok mérései nemcsak a struktúrák növekedését mutathatják meg, hanem azt is, hogy növekedésüket miként gátolta a sötét energia – a visszataszító energia vékony máza, amely áthatja a teret, felgyorsítja a tér tágulását, és ezáltal elválasztja az anyagot.

Ha a sötét energia maga a tér energiája, ahogy a kozmológia standard modellje feltételezi, akkor állandó sűrűségű lesz a térben és időben (ezért nevezik néha kozmológiai állandónak). De ha a sűrűsége idővel csökken, akkor az valami egészen más. „Ez a kozmológia legnagyobb kérdése” – mondta Sebastian Grandis, az ausztriai Innsbrucki Egyetem eRosita csapatának tagja.

A több ezer halmazt tartalmazó térképükről a kutatók azt találták, hogy a sötét energia megfelel egy kozmológiai állandó profiljának, bár mérésük 10%-os bizonytalansággal jár, így továbbra is lehetséges a mindig enyhén változó sötétenergia-sűrűség.

Eredetileg az orosz űrhajó fedélzetén ülő eRositának nyolc teljes égbolt-felmérést kellett volna végeznie, de 2022 februárjában, hetekkel azután, hogy a teleszkóp megkezdte ötödik felmérését, Oroszország megtámadta Ukrajnát. Válaszul az együttműködés német fele, amely az eRositát üzemelteti és üzemelteti, biztonságos módba helyezte a távcsövet, leállítva minden tudományos megfigyelést.

Ezek a kezdeti dokumentumok csupán az első hat hónap adataiból származnak. A német csoport arra számít, hogy körülbelül négyszer annyi galaxishalmazt talál a további 1.5 éves megfigyelés során, ami lehetővé teszi az összes kozmológiai paraméter pontosabb meghatározását. "A klaszter kozmológia a CMB-n kívül a kozmológia legérzékenyebb szondája lehet" - mondta Anja von der Linden, a Stony Brook Egyetem asztrofizikusa.

Kezdeti eredményeik egy viszonylag kihasználatlan információforrás erejét demonstrálják. „Mi vagyunk az új gyerek a háztömbön” – mondta Grandis.