Jate stotin ali tisočev galaksij ležijo na presečiščih velikanskih, križajočih se niti snovi, ki tvorijo tapiserijo vesolja. Ko gravitacija vleče vse v vsaki jati galaksij proti njenemu središču, se plin, ki zapolnjuje prostor med galaksijama, stisne, zaradi česar se segreje in sveti v rentgenskih žarkih.

Rentgenski teleskop eRosita, dvignjen v vesolje leta 2019, je več kot dve leti zbiral signale visokoenergijske svetlobe z vsega neba. Podatki so znanstvenikom omogočili preslikavo lokacij in velikosti na tisoče jat galaksij, od katerih sta dve tretjini doslej neznani. notri kopica papirjev objavljen na spletu 14. februarja, ki bo objavljen v reviji Astronomija in astrofizika, so znanstveniki uporabili svoj začetni katalog grozdov, da bi pretehtali več velikih vprašanj kozmologije.

Rezultati vključujejo nove ocene grudastosti vesolja - značilnost, o kateri se v zadnjem času veliko razpravlja, saj so druge nedavne meritve odkrile, da je nepričakovano gladka – in mase duhov podobnih delcev, imenovanih nevtrini, ter ključne lastnosti temne energije, skrivnostne odbojne energije, ki pospešuje širjenje vesolja.

Vladajoči model vesolja kozmologov identificira temno energijo kot energijo samega vesolja in jo veže na 70 % vsebine vesolja. Nadaljnjo četrtino vesolja predstavlja nevidna temna snov, 5 % pa navadna snov in sevanje. Vse se razvija pod vplivom gravitacije. Toda nekatera opažanja iz preteklega desetletja nasprotujejo temu "standardnemu modelu" kozmologije, kar povečuje možnost, da modelu manjkajo sestavine ali učinki, ki bi lahko omogočili globlje razumevanje.

Nasprotno pa opažanja eRosita krepijo obstoječo sliko v vseh pogledih. "To je izjemna potrditev standardnega modela," je dejal Dragan Huterer, kozmolog na Univerzi v Michiganu, ki ni bil vključen v delo.

Rentgensko slikanje kozmosa

Po velikem poku so subtilne spremembe gostote v novorojenem vesolju postopoma postale bolj izrazite, ko so se delci snovi zlivali drug na drugega. Gostejše kepe so potegnile vase več materiala in se povečale. Danes so jate galaksij največje gravitacijsko vezane strukture v vesolju. Določanje njihove velikosti in porazdelitve omogoča kozmologom, da preizkusijo svoj model razvoja vesolja.

Da bi našli grozde, je ekipa eRosita usposobila računalniški algoritem za iskanje "res puhastih" virov rentgenskih žarkov v nasprotju s točkastimi predmeti, je dejal Esra Bulbul z Inštituta Maxa Plancka za zunajzemeljsko fiziko v Garchingu v Nemčiji, ki je vodil opazovanja grozdov eRosita. Seznam kandidatov so zmanjšali na "izjemno čist vzorec", je dejala, 5,259 jat galaksij od skoraj milijona virov rentgenskih žarkov, ki jih je odkril teleskop.

Nato so morali ugotoviti, kako težki so ti grozdi. Masivni predmeti upogibajo tkivo prostora-časa, spreminjajo smer prehajajoče svetlobe in povzročijo, da je vir svetlobe videti popačen - pojav, imenovan gravitacijske leče. Znanstveniki eRosita bi lahko izračunali maso nekaterih od svojih 5,259 jat na podlagi leče bolj oddaljenih galaksij, ki sedijo za njimi. Medtem ko je le tretjina njihovih jat poznala galaksije v ozadju, razvrščene na ta način, so znanstveniki ugotovili, da je masa jate močno povezana s svetlostjo njihovih rentgenskih žarkov. Zaradi te močne korelacije so lahko uporabili svetlost za oceno mase preostalih grozdov.

Masovne informacije so nato vnesli v računalniške simulacije razvijajočega se kozmosa, da bi sklepali na vrednosti kozmičnih parametrov.

Merjenje gručastosti

Ena številka zanimanja je "faktor grudavosti" vesolja, S₈. S₈ vrednost nič bi predstavljala obsežno kozmično ničevost, podobno ravni ravnini, na kateri ni nobene skale. An S₈ vrednost, ki je bližja 1, ustreza strmim goram, ki se dvigajo nad globokimi dolinami. Znanstveniki so ocenili S₈ temelji na meritvah kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB) — starodavne svetlobe, ki prihaja iz zgodnjega vesolja. Z ekstrapolacijo začetnih variacij gostote kozmosa raziskovalci pričakujejo tok S₈ vrednost 0.83.

Ampak nedavne študije pri današnjem opazovanju galaksij so izmerjene vrednosti za 8 % do 10 % nižje, kar nakazuje, da je vesolje nepričakovano gladko. To neskladje je zanimalo kozmologe in potencialno kaže na razpoke v standardnem kozmološkem modelu.

Vendar ekipa eRosita ni našla takšnega neskladja. "Naš rezultat je bil v bistvu v skladu z napovedjo iz zelo zgodnjega časa, iz CMB," je dejal Vittorio Ghirardini, ki je analizo vodil. On in njegovi kolegi so izračunali an S₈ 0.85.

Nekateri člani ekipe so bili razočarani, je dejal Ghirardini, saj je bilo namigovanje na manjkajoče sestavine bolj vznemirljiva možnost kot ujemanje z znano teorijo.

S₈ vrednost, ki je nekoliko višja od ocene CMB, bo verjetno sprožila več analiz drugih ekip, je dejal Gerrit Schellenberger, astrofizik, ki preučuje jate galaksij na Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziko. "Mislim, da to verjetno ni zadnji članek, ki smo ga videli na to temo."

Tehtanje nevtrinov

Številni nevtrini so nastali v zgodnjem vesolju – skoraj toliko kot fotonov (delcev svetlobe). Marilena Loverde, kozmolog na Univerzi v Washingtonu. Toda fiziki vedo, da nevtrini za razliko od fotonov morajo imeti majhne mase zaradi tega, kako nihajo med tremi vrstami. Delci ne pridobijo mase z enakim mehanizmom kot drugi osnovni delci, zato je njihova masa zelo raziskana skrivnost. In prvo vprašanje je, kako velike so pravzaprav.

Kozmologi lahko ocenijo maso nevtrinov s preučevanjem njihovih učinkov na strukturo kozmosa. Nevtrini krožijo naokoli s skoraj svetlobno hitrostjo in gredo naravnost skozi drugo snov, namesto da bi se zableščali vanjo. Torej je njihova prisotnost v kozmosu zmanjšala njegovo grudastost. "Večjo maso kot nanesete na nevtrine, večja je masa, ki je gladka na teh [velikih] lestvicah," je dejal Loverde.

Skupina eRosita je s kombinacijo svojih meritev jate galaksij z meritvami CMB ocenila, da vsota mas treh vrst nevtrinov ne presega 0.11 elektronvolta (eV) ali manj kot milijoninka mase elektrona. Drugi eksperimenti z nevtrini so postavila spodnjo mejo, ki kaže, da mora seštevek treh mas nevtrinov znašati najmanj 0.06 eV (za eno možno razvrstitev treh masnih vrednosti) ali 0.1 eV (za invertni vrstni red). Ker se razdalja med zgornjo in spodnjo mejo zmanjšuje, so znanstveniki vse bližje določitvi vrednosti mase nevtrina. "Pravzaprav smo na robu preboja," je dejal Bulbul. V naslednjih izdajah podatkov bi ekipa eRosita lahko dovolj znižala zgornjo mejo, da bi izključila modele mase nevtrinov obrnjenega reda.

Previdnost je potrebna. Vsi drugi hitri, lahki delci, ki bi lahko obstajali - kot npr aksioni, bi hipotetični delci, predlagani kot kandidati za temno snov, imeli enake učinke na tvorbo strukture. In vnesli bi napake v merjenje mase nevtrinov.

Sledenje temni energiji

Meritve galaksijskih jat lahko razkrijejo ne le, kako so strukture rasle, ampak tudi, kako je njihovo rast ovirala temna energija – tanka glazura odbojne energije, ki prežema vesolje, pospešuje širjenje vesolja in s tem ločuje materijo.

Če je temna energija energija samega prostora, kot predvideva standardni model kozmologije, potem bo imela konstantno gostoto v vesolju in času (zato jo včasih imenujemo kozmološka konstanta). Če pa njegova gostota sčasoma pada, potem je to nekaj povsem drugega. "To je največje vprašanje, ki ga ima kozmologija," je dejal Sebastian Grandis, član ekipe eRosita na Univerzi v Innsbrucku v Avstriji.

Iz njihovega zemljevida tisočih grozdov so raziskovalci ugotovili, da se temna energija ujema s profilom kozmološke konstante, čeprav ima njihova meritev 10-odstotno negotovost, tako da ostaja možna vedno tako rahlo spreminjajoča se gostota temne energije.

Prvotno naj bi eRosita, ki sedi na krovu ruskega vesoljskega plovila, izvedla osem raziskav celotnega neba, toda februarja 2022, nekaj tednov po tem, ko je teleskop začel svojo peto raziskavo, je Rusija napadla Ukrajino. V odgovor je nemška stran kolaboracije, ki upravlja in upravlja eRosita, preklopila teleskop v varen način in prekinila vsa znanstvena opazovanja.

Ti začetni dokumenti črpajo samo iz podatkov prvih šestih mesecev. Nemška skupina pričakuje, da bo v dodatnih 1.5 letih opazovanj našla približno štirikrat več jat galaksij, kar bo omogočilo natančnejšo določitev vseh teh kozmoloških parametrov. "Kozmologija grozdov bi lahko bila najbolj občutljiva sonda kozmologije razen CMB," je dejal Anja von der Linden, astrofizik na univerzi Stony Brook.

Njihovi začetni rezultati kažejo moč razmeroma neizkoriščenega vira informacij. "Smo nekako novi fantje v bloku," je dejal Grandis.