Galaksehobe giver spor til mørkt stof og mørk energi

Det er en kosmisk ironi:de største ting i universet kan også være de sværeste at finde.

Elizabeth Blanton, en lektor i astronomi ved Boston University, begyndte at jage efter fjerne galaksehobe for mere end 20 år siden. En enkelt galaksehob kan være så massiv som en kvadrillion sole, men fjerne klynger er så svage, at de er praktisk talt usynlige for alle undtagen de største jordbundne teleskoper. Fjerne klynger rummer dele af historien om, hvordan universets web-lignende struktur først opstod og kunne hjælpe med at belyse den sande natur af mørk energi og mørkt stof. Nu, hendes teams søgning leverer sit største afkast til dato:et katalog med omkring 200 kandidatgalaksehobe, som hvis bekræftet, kan omfatte nogle af de fjerneste klynger, der nogensinde er fundet. De nye resultater, som vil være et nyttigt værktøj for astronomer verden over, blev offentliggjort den 26. juli, 2017, udgave af Astrofysisk tidsskrift af et team, der inkluderer Rachel Paterno-Mahler (GRS'15), Ph.d.-kandidat Emmet Golden-Marx (GRS'16, '19), Gagandeep Anand (GRS'17), Joshua Wing (GRS'07, '13), og kolleger ved University of Missouri-Kansas City og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Galaksehobe kan indeholde tusindvis af galakser og mange billioner af stjerner – og det er lige hvad astronomer kan se med almindelige teleskoper. Varm gas mellem galakserne lyser med røntgenstråler, og astronomer formoder, at mere end 85 procent af hver klynges masse er skjult i form af mørkt stof. Kortlagt i tre dimensioner, universet er et net af lyse filamenter og mørke hulrum, med galaksehobe, der optager de steder, hvor filamenterne skærer hinanden.

Indvævet i dette kosmiske net er der spor til to store kosmiske mysterier:mørkt stof, de usynlige ting, der gennemsyrer galakser og mellemrummene mellem dem, og mørk energi, som driver den accelererende udvidelse af universet. Sammen, mørkt stof og mørk energi udgør omkring 95 procent af vores univers, videnskabsmænd formoder, men astrofysikere kender kun indirekte til mørkt stof og mørk energis eksistens, ved deres indflydelse på stjerner og galakser, der lyser himlen op.

Den nye cache af kandidater til fjerne galaksehobe kan hjælpe forskere med at fastlægge egenskaberne af mørkt stof og mørk energi, siger Paterno-Mahler, første forfatter på det nye papir, en af ​​en kommende serie fra Blantons hold. "Galaksehobe er virkelig gode testpladser til at lære om de kosmologiske parametre i vores univers, som hvor meget mørk energi der er, og hvor meget mørkt stof der er."

Ved at sammenligne fjerne klynger med deres lokale modstykker, forskere kan også sammensætte en tidsplan for, hvordan galaksehobe dannes og voksede. Det er fordi lyset fra de fjerneste klynger skulle rejse milliarder af år før det nåede Jorden, så astronomer ser disse klynger, som de var for længe siden. "Hvis vi ønsker at lære, hvordan klynger - de mest massive kollapsede strukturer i universet - dannes og udvikler sig, vi skal studere dem over en række afstande, går hele vejen tilbage, " siger medforfatter Mark Brodwin, assisterende professor i fysik og astronomi ved University of Missouri-Kansas City. Og fordi galaksehobe giver astronomer adgang til en stor prøve af galakser, der ligner hinanden i alder, de giver også et laboratorium, hvor man kan studere, hvordan individuelle galakser har ændret sig over tid. "Du har en masse galakser i samme epoke, sammen i rummet, at sammenligne med flere nærliggende galakser, " siger Blanton.

Men jo længere en galaksehob er fra Jorden, jo svagere fremstår det. Traditionelle optiske teleskoper skal stirre på et enkelt sted på himlen i lang tid for at indsamle nok lys til at afsløre en fjern klynge, og at undersøge hele himlen på denne måde er tidsuoverkommeligt. Så, for at oprette det nye katalog, Blanton og hendes team gennemsøgte arkiverede data for at finde spor til, hvor klynger kunne være, og derefter fulgt op med målrettede teleskopobservationer. Deres søgen, døbt COBRA (Clusters Occupied by Bent Radio AGN, eller aktive galaktiske kerner), blev støttet af tilskud fra National Science Foundation og NASA.

Deres spor af spor starter med, at næsten alle store galakser har et supermassivt sort hul i centrum. Disse sorte huller er notorisk rodede spisere, og når de holder fest, noget af støvet og gassen, der styrter indad, bliver sprøjtet ud i enorme, spiralflyder. Disse jetfly kan strække galaksens bredde og videre, og de producerer et radiobølgebrøl, som astronomer kan opfange med radioteleskoper på Jorden. Hvis galaksen tilfældigvis også zoomer gennem varm klyngegas (eller hvis gassen zoomer forbi galaksen), dyserne bøjes til en karakteristisk "C"-form - "som dit hår blæser i vinden, " siger Blanton. Denne "C"-form er den første ledetråd til en mulig klynge.

Blantons team undersøgte eksisterende himmelundersøgelser og fandt næsten 2, 000 af disse ejendommelige genstande. Så fløj, som en del af sit afhandlingsarbejde, sammenlignede disse formodede klynger med visuelle lysbilleder fra arkiverne fra Sloan Digital Sky Survey. De mest spændende kandidater, siger Blanton, er dem, for hvilke Sloan-billederne ser mørke ud, antydet, at radiosignalet kunne komme fra en klynge så fjernt, at Sloan Survey-teleskopet slet ikke kan se det.

Med mulighederne yderligere indsnævret, de brugte derefter Spitzer Space Telescope til at nulstille omkring 650 mulige klynger, en efter en. (Spitzer er mest følsom over for infrarødt lys, stråling, der ikke kan ses af det menneskelige øje, men som er ideel til at observere fjerne galakser.) Med en computers hjælp, de talte antallet af galakser op i hver Spitzer-ramme og sammenlignede det med det typiske antal galakser i et sammenligneligt område af himlen. Et usædvanligt højt antal galakser - kaldet en "overdensitet" - tyder på en galaksehob.

En overdensitet er ikke et endegyldigt bevis på en galaksehob, selvom. "Du ser et 2-D-billede af en 3-D-fordeling af objekter, " forklarer Blanton. "Nogle af dem kunne være langt i forgrunden, eller helt i baggrunden." Disse "projektionseffekter" kan skabe illusionen af ​​en klynge, hvor ingen virkelig eksisterer. Gruppens næste skridt, i gang nu, er at måle afstanden til hver galakse i den tilsyneladende hob for at bekræfte, at grupperingen er reel, ikke en optisk illusion.

Golden-Marx er allerede ved at fastlægge afstande til nogle af galakserne ved hjælp af det 4,3 meter lange Discovery Channel Telescope, hvor BU er en partnerinstitution, og Blanton håber at sikre sig tid på Hubble-rumteleskopet og et af de to 10-meter Keck-teleskoper på Hawaii for at få endnu mere præcise målinger. Når afstandene er bekræftet, holdet vil være i stand til korrekt at sortere klyngerne efter alder og også bekræfte, om deres katalog virkelig indeholder de fjerneste klynger, der endnu er fundet.