Præcisionsmålinger af intraclusterlys tyder på mulig forbindelse til mørkt stof

En kombination af observationsdata og sofistikerede computersimuleringer har givet fremskridt inden for et felt af astrofysik, der har sygnet hen i et halvt århundrede. The Dark Energy Survey, som er vært for det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory, har offentliggjort en byge af nye resultater om det, der kaldes intracluster light, eller ICL, en svag type lys fundet inde i galaksehobe.

Det første udbrud af nye, præcision ICL-målinger dukkede op i et papir offentliggjort i The Astrophysical Journal i april 2019. En anden optrådte for nylig i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Som et overraskende fund af sidstnævnte, DES-fysikere opdagede nye beviser for, at ICL kan give en ny måde at måle et mystisk stof kaldet mørkt stof på.

Kilden til ICL ser ud til at være useriøse stjerner, dem, der ikke er gravitationsmæssigt bundet til nogen galakse. ICL har længe været mistænkt for muligvis at være en væsentlig bestanddel af galaksehobe, men dens svaghed gør det vanskeligt at måle. Ingen ved, hvor meget der er, eller i hvilket omfang det har spredt sig gennem galaksehobe.

"Observationsmæssigt opdagede vi, at intracluster-lys er et ret godt radialt spor af mørkt stof. Det betyder, at hvor intracluster-lys er relativt lyst, det mørke stof er relativt tæt, " sagde Fermilab videnskabsmand Yuanyuan Zhang, der ledede begge studier. "Bare at måle selve ICL er ret spændende. Den mørke stof del er en serendipital opdagelse. Det er ikke, hvad vi forventede."

Selvom det er usynligt, mørkt stof står for det meste stof i universet. Hvad mørkt stof består af, står som et af de store mysterier i moderne kosmologi. Forskere ved kun, at det adskiller sig meget fra det normale stof bestående af protoner, neutroner og elektroner, der dominerer hverdagen.

Men ICL, ikke mørkt stof, var i første omgang på forskerholdets dagsorden. De fleste astrofysikere måler intraklyngelys i midten af ​​en galaksehob, hvor det er klarest og rigest.

"Vi gik meget langt væk fra centrum af galaksehobe, hvor lyset virkelig er svagt, " sagde Zhang. "Og jo længere væk fra centrum vi gik, jo sværere blev målingen."

Alligevel, det lykkedes DES-samarbejdspartnerne at komme væk med den mest radialt udvidede måling af ICL nogensinde.

Holdet brugte svag gravitationslinser til at sammenligne den radiale fordeling af ICL - hvordan den ændrer sig over afstanden fra centrum af en klynge - med den radiale fordeling af massen af ​​en galaksehob. Svag linse er en mørk-stof-følsom metode til at måle massen af ​​en galakse eller klynge. Det opstår, når tyngdekraften af ​​en forgrundsstjerne eller hob bøjer lyset fra en fjernere galakse, forvrænger dens tilsyneladende form.

Det viste sig observationsmæssigt, at ICL afspejler fordelingen af ​​både den samlede synlige masse af en galaksehob og, eventuelt, fordelingen af ​​det usynlige mørke stof.

"Vi forventede ikke at finde en så tæt forbindelse mellem disse radiale fordelinger, men det gjorde vi, " sagde videnskabsmanden Hillysson Sampaio-Santos, hovedforfatteren af ​​det nye papir.

Sammenligning af observationer med simuleringer

For at få mere indsigt, holdet brugte en sofistikeret computersimulering til at studere forholdet mellem ICL og mørkt stof. De fandt ud af, at de radiale profiler mellem de to fænomener i simuleringen ikke stemte overens med observationsdataene. I simuleringen, "ICL's radiale profil var ikke den bedste komponent til at spore mørkt stof, " sagde Sampaio-Santos, der er ved National Observatory i Rio de Janeiro, Brasilien.

Zhang bemærkede, at det er for tidligt at sige præcis, hvad der forårsagede konflikten mellem observation og simulering.

"Hvis simuleringen ikke fik det rigtigt, det kan betyde, at det simulerede intracluster-lys produceres på et lidt andet tidspunkt end i observationer. De simulerede stjerner havde ikke tid nok til at vandre rundt og begynde at spore mørkt stof, " hun sagde.

Sampaio-Santos bemærkede, at yderligere ICL-studier kunne give indsigt i dynamikken, der forekommer inde i galaksehobe, inklusive interaktioner, der tyngdemæssigt frigiver nogle af deres stjerner, giver dem mulighed for at vandre rundt.

"Jeg planlægger at studere intracluster-lyset og virkningerne af afslapning, "eller breder sig ud, han sagde. For eksempel, nogle klynger er smeltet sammen. Disse fusionerede klynger bør have forskellige egenskaber af ICL sammenlignet med klynger, der er afslappede.

Forbedring af signaler i støjende datasæt

Den ICL, som holdet målte, er omkring hundrede til tusind gange svagere, end hvad DES-forskere normalt forsøger. Det betyder, at holdet skulle håndtere meget støj og forurening i signalet.

Det tekniske aspekt af bedriften var udfordrende, Zhang sagde, "men fordi vi havde en del data fra Dark Energy Survey, vi var i stand til at annullere en masse støj for at udføre denne form for måling. Det er statistisk gennemsnit."

Astrofysikere laver typisk ICL-målinger ved hjælp af en håndfuld galaksehobe ad gangen.

"Det er en fantastisk måde at få information om de enkelte systemer på, " sagde Zhang.

For at få det større billede og for at slå ned støjen, DES-holdet havde et statistisk gennemsnit på omkring 300 galaksehobe i den første undersøgelse og mere end 500 hobe i den anden. Alle er de et par milliarder lysår fra Jorden.

At teste signalet fra støjen fra hver klynge kræver en masse data, hvilket er præcis, hvad DES har genereret. I begyndelsen af ​​2019, DES afsluttede sin seksårige mission med at observere hundreder af millioner af fjerne galakser på den sydlige himmel og offentliggjorde sin anden dataudgivelse i midten af ​​januar.

ICL-målingerne sonderer klynger, der er op til 3,3 milliarder lysår fra Jorden. I fremtidige undersøgelser, Zhang vil gerne studere rødforskydningen af ​​ICL - hvordan den ændrer sig med kosmisk tid.

"Min drøm er at gå hele vejen for at forskyde én - 10 milliarder lysår, " sagde Zhang. "Undersøgelser siger, at det er, når ICL lige er begyndt at udvikle sig."

At gå så langt ville gøre det muligt for forskere at se ICL bygge over tid.

"Men det er virkelig svært, fordi det er tre gange så langt som afstanden til vores seneste målinger, så alt bliver ekstremt svagt der, " hun sagde.