Gromady galaktyk skrywają informacje o ciemnej materii i ciemnej energii

Masywna, młoda gromada galaktyk widziana w zakresie rentgenowskim (niebieski), widzialnym (zielony) i podczerwonym (czerwony). Źródło: X-ray: NASA/CXC/Univ of Missouri/M. Brodwin et al; optyczny: NASA/STScI; podczerwień: JPL/CalTech

To swego rodzaju kosmiczna ironia: największe obiekty we Wszechświecie mogą być najtrudniejszymi do znalezienia.

Elizabeth Blanton, profesor astronomii z Uniwersytetu w Bostonie rozpoczęła poszukiwania odległych gromad galaktyk już ponad 20 lat temu. Pojedyncza gromada galaktyk może mieć masę nawet biliarda słońc, a mimo to być na tyle od nas odległa, że pozostaje praktycznie niewidoczna dla wszystkich poza największymi teleskopami na Ziemi. Odległe gromady skrywają w sobie wiele elementów opowieści o tym jak powstała przypominająca sieć struktura wszechświata i mogą rzucić zupełnie nowe światło na prawdziwą naturę ciemnej energii i ciemnej materii.

Teraz poszukiwania jej zespołu przynoszą największe jak dotąd wyniki: katalog około 200 potencjalnych gromad galaktyk, które jeżeli zostaną potwierdzone, mogą zawierać jedne z najodleglejszych dotąd odkrytych gromad galaktyk. Nowe wyniki, które będą przydatnym narzędziem dla wielu astronomów na całym świecie opublikowano 26 lipca 2017 roku w periodyku Astrophysical Journal.

Gromady galaktyk mogą zawierać tysiące galaktyk i wiele bilionów gwiazd – i właśnie to widzą astronomowie za pomocą zwykłych teleskopów. Gorący gaz między galaktykami świeci w zakresie rentgenowskim, a astronomowie podejrzewają, że ponad 85% masy każdej gromady to ciemna materia. Mapowany w trzech wymiarach, wszechświat stanowi sieć jasnych włókiem i ciemnych luk, przy czym gromady galaktyk zazwyczaj znajdują się na przecięciach poszczególnych włókien.

Wplecione w tę kosmiczną sieć są informacje o dwóch głównych tajemnicach kosmosu: ciemnej materii – niewidocznej materii wypełniającej galaktyki i przestrzenie między nimi oraz ciemnej energii odpowiedzialnej za przyspieszanie rozszerzania się Wszechświata. Łącznie, ciemna materia i ciemna energia stanowią według naukowców 95 % Wszechświata jednak astrofizycy obserwują obecność ciemnej materii i ciemnej energii tylko pośrednio – poprzez ich wpływ na gwiazdy i galaktyki rozświetlające niebo.

Nowy zbiór potencjalnych odległych gromad galaktyk może pomóc naukowcom dokładniej poznać właściwości ciemnej materii i ciemnej energii – mówi Paterno-Mahler, główny autor nowego artykułu, pierwszego z serii nadchodzących artykułów opracowanych przez zespół Blanton. „Gromady galaktyk stanowią naprawdę dobre podłoże do poszukiwania kosmologicznych parametrów wszechświata, takich jak chociażby ilość ciemnej materii i ciemnej energii”.

Porównując odległe gromady z ich lokalnymi odpowiednikami, badacze mogą także odtworzyć historię powstawania i wzrostu gromad galaktyk. Jest tak ponieważ światło z najodleglejszych gromad podróżowało całe miliardy lat zanim dotarło na Ziemię, dlatego teraz astronomowie mogą obserwować je takimi jakie były miliardy lat temu. „Jeżeli chcemy dowiedzieć się jak gromady – najmasywniejsze, zapadnięte struktury we Wszechświecie – powstawały i ewoluowały musimy badać je w całym zakresie odległości, sięgając aż do zamierzchłej przeszłości”, mówi współautor opracowania Mark Brodwin, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Missouri-Kansas City. Ponieważ gromady galaktyk dają astronomom dostęp do dużych próbek galaktyk mniej więcej w tym samym wieku, stanowią także doskonałe laboratorium do badania zmian poszczególnych galaktyk w czasie. „W ten sposób mamy całe zbiory galaktyk w tej samej epoce, znajdujących się w tym samym wycinku nieba, które możemy porównać z bliskimi nam galaktykami”, mówi Blanton.

Zdjęcie wykonane w zakresie optycznym przez Sloan Digital Sky Survey (po lewej) jest niemal puste, ale zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Spitzer (po prawej) odkrywa przed nami dziesiątki odległych galaktyk. Nałożona na nie mapa fal radiowych (zielone linie) odkrywa przed nami galaktykę poruszającą się względem gazu w gromadzie. Źródło: Blanton et al.

Jednak im gromada galaktyk odleglejsza od Ziemi, tym trudniej ją dostrzec. Tradycyjne teleskopy optyczne muszą spoglądać w pojedyncze punkty nieba przez długi czas, aby zebrać wystarczającą ilość światła i ujawnić obecność odległej gromady. Zbadanie w ten sposób całego nieba pochłonęłoby ogromne ilości czasu. Dlatego też,  aby stworzyć nowy katalog, Blanton i jej zespół przesiali archiwalne dane w poszukiwaniu informacji, które wskazują gdzie mogą znajdować się gromady galaktyk, a dopiero potem takie miejsca przeszukali za pomocą teleskopów. Ich poszukiwania, którym nadano nazwę COBRA (Clusters Occupied by Bent Radio AGN) były finansowane w ramach grantów NASA i NSF.

Poszukiwanie wskazówek zaczyna się od faktu, że prawie każda duża galaktyka posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Owe czarne dziury strasznie brudzą podczas pożerania pobliskich gwiazd. Dzięki temu część gazu i pyłu opadającego na czarne dziury wyrzucana jest z ich otoczenia w potężnych, spiralnych dżetach. Owe dżety mogą rozciągać się na całą szerokość galaktyki i jeszcze dalej, a przy tym emitują fale radiowe, które astronomowie mogą rejestrować za pomocą naziemnych radioteleskopów. Gdy taka galaktyka jednocześnie przelatuje przez gorący gaz gromady (lub gdy gaz przelatuje przez galaktykę), dżety ulegają wygięciu w charakterystyczny kształt przypominający literę C. Owa litera C to pierwsza wskazówka potencjalnej obecności gromady.

Zespół Blanton przeanalizował istniejące dane z przeglądów nieba i odkrył prawie 2000 takich osobliwych obiektów. Następnie jeden z członków zespołu porównał te potencjalne gromady ze zdjęciami w zakresie widzialnym wykonanymi w ramach przeglądu Sloan Digital Sky Survey. Najbardziej ekscytujące obiekty to te, dla których zdjęcia ze Sloan są po prostu ciemne, co wskazuje, że sygnał radiowy może pochodzić z gromady tak odległej, że nie udało się jej dostrzec w ramach przeglądu nieba SSDS.

Zatem po kolejnym zawężeniu listy, astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Spitzer do spojrzenia na około 650 potencjalnych gromad, jedna po drugiej (Spitzer jest najbardziej czuły w zakresie podczerwieni – niewidzialnym dla ludzkiego oka, ale idealnym do obserwowania odległych galaktyk). Z pomocą komputera, badacze policzyli galaktyki na każdym zdjęciu ze Spitzera i porównali je z typową liczbą galaktyk w porównywalnym obszarze nieba. Nietypowo wysoka liczba galaktyk – „nadmierne zagęszczenie” – wskazuje na gromadę galaktyk.

Oczywiście nadmierne zagęszczenie nie stanowi ostatecznego dowodu na obecność gromady galaktyk. „Obserwujemy dwuwymiarowy obraz trójwymiarowego rozkładu obiektów”, mówi Blanton. „Niektóre z nich mogą znajdować się dużo bliżej lub dużo dalej od nas”. Te „efekty projekcji” mogą tworzyć iluzję gromady tam gdzie w rzeczywistości taka nie występuje. Kolejnym zadaniem grupy – wykonywanym obecnie – jest mierzenie odległości do każdej z galaktyk w pozornej gromadzie w celu potwierdzenia rzeczywistości grupy i wyeliminowania iluzji optycznej.

Emmet Golden-Marx już określa odległości do niektórych galaktyk za pomocą 4,3-metrowego teleskopu Discovery Channel Telescope, a Blanton planuje wnioskować o czas obserwacyjny na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a i jednym z dwóch 10-metrowych teleskopów Keck na Hawajach, które pozwoliłyby na dokładniejsze pomiary. Po potwierdzeniu odległości, zespół będzie w stanie właściwie uszeregować gromady wiekiem i potwierdzić czy ich katalog zawiera najodleglejsze dotąd obserwowane gromady galaktyk.

Źródło: Boston University / phys.org

Komentarze

comments