Forsvundne baryoner fundet langt ude i galaktiske glorier

Forskere har kanaliseret universets tidligste lys - et levn fra universets dannelse kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) - for at løse et manglende stof mysterium og lære nye ting om galaksedannelse. Deres arbejde kunne også hjælpe os til bedre at forstå mørk energi og teste Einsteins generelle relativitetsteori ved at give nye detaljer om den hastighed, hvormed galakser bevæger sig mod os eller væk fra os.

Usynligt mørkt stof og mørk energi tegner sig for omkring 95% af universets samlede masse og energi, og størstedelen af ​​de 5 %, der betragtes som almindeligt stof, er også stort set uset, såsom gasserne i udkanten af ​​galakser, der udgør deres såkaldte haloer.

Det meste af dette almindelige stof består af neutroner og protoner - partikler kaldet baryoner, der findes i kernerne af atomer som brint og helium. Kun omkring 10% af baryonisk stof er i form af stjerner, og det meste af resten bebor rummet mellem galakser i tråde af varmt, udbredt stof kendt som det varme-varme intergalaktiske medium, eller WHIM.

Fordi baryoner er så spredt ud i rummet, det har været svært for videnskabsmænd at få et klart billede af deres placering og tæthed omkring galakser. På grund af dette ufuldstændige billede af, hvor almindeligt stof befinder sig, de fleste af universets baryoner kan betragtes som "manglende".

Nu, et internationalt team af forskere, med nøglebidrag fra fysikere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Cornell University, har kortlagt placeringen af ​​disse forsvundne baryoner ved at levere de bedste målinger, til dato, af deres placering og tæthed omkring grupper af galakser.

Det viser sig, at baryonerne trods alt er i galakse-haloer, og at disse glorier strækker sig meget længere end populære modeller havde forudsagt. Mens de fleste af en individuel galakse stjerner typisk er indeholdt i et område, der er omkring 100, 000 lysår fra galaksens centrum, disse målinger viser, at for en given gruppe af galakser, de fjerneste baryoner kan strække sig omkring 6 millioner lysår fra deres centrum.

Paradoksalt nok, dette manglende stof er endnu mere udfordrende at kortlægge end mørkt stof, som vi indirekte kan observere gennem dens gravitationsvirkninger på normalt stof. Mørkt stof er det ukendte stof, der udgør omkring 27% af universet; og mørk energi, som driver stof i universet fra hinanden med en accelererende hastighed, udgør omkring 68% af universet.

"Kun nogle få procent af almindeligt stof er i form af stjerner. Det meste er i form af gas, der generelt er for svagt, for diffus til at kunne opdage, sagde Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoc Fellow i Berkeley Lab's Physics Division og hovedforfatter til en af ​​to artikler om de forsvundne baryoner, offentliggjort 15. marts i tidsskriftet Fysisk gennemgang D .

Forskerne gjorde brug af en proces kendt som Sunyaev-Zel'dovich-effekten, der forklarer, hvordan CMB-elektroner får et løft i energi via en spredningsproces, når de interagerer med varme gasser omkring galaksehobe.

"Dette er en fantastisk mulighed for at se ud over galaksepositioner og på galaksehastigheder, " sagde Simone Ferraro, en divisionsstipendiat i Berkeley Labs fysikafdeling, som deltog i begge undersøgelser. "Vores målinger indeholder en masse kosmologisk information om, hvor hurtigt disse galakser bevæger sig. Det vil supplere målinger, som andre observatorier foretager, og gør dem endnu mere kraftfulde, " han sagde.

Et team af forskere ved Cornell University, består af forskningsassistent Stefania Amodeo, Assisterende professor. Professor Nicholas Battaglia, og kandidatstuderende Emily Moser, ledet modelleringen og fortolkningen af ​​målingerne, og udforskede deres konsekvenser for svag gravitationslinser og galaksedannelse.

De computeralgoritmer, som forskerne udviklede, skulle vise sig at være nyttige til at analysere "svag linse"-data fra fremtidige eksperimenter med høj præcision. Lensningsfænomener opstår, når massive objekter såsom galakser og galaksehobe er nogenlunde justeret i en bestemt linje af stedet, så gravitationsforvrængninger faktisk bøjer og forvrænger lyset fra det fjernere objekt.

Svag linsebehandling er en af ​​de vigtigste teknikker, som videnskabsmænd bruger til at forstå universets oprindelse og udvikling, herunder studiet af mørkt stof og mørk energi. At lære placeringen og fordelingen af ​​baryonisk stof bringer disse data inden for rækkevidde.

"Disse målinger har dybtgående konsekvenser for svag linse, og vi forventer, at denne teknik vil være meget effektiv til at kalibrere fremtidige undersøgelser med svage linser, " sagde Ferraro.

Schaan bemærkede, "Vi får også information, der er relevant for galaksedannelse."

I de seneste undersøgelser, researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"Det er som et vandmærke på en pengeseddel, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Det tjener til at oplyse gassen bagfra, så vi kan se skyggen, når CMB-lyset rejser gennem den gas."

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.