Metode til at veje galaksehobe kunne hjælpe astronomer med at forstå mystiske strukturer af mørkt stof

Den fjerneste galakse, der nogensinde er observeret, er så langt væk, at det stjernelys, vi nu opdager, blev udsendt mindre end 500 m år efter Big Bang. Det har taget omkring 13 milliarder år at nå os. Men der er mange ting ved en galakse, som vi ikke kan se. For eksempel, vi tror, ​​at galakser er nedsænket i gigantiske "haloer" af et usynligt stof kaldet mørkt stof. Forskere ved faktisk ikke, hvad mørkt stof er, men de ved, at det eksisterer, fordi det har en tyngdekraft på omgivende stof.

Nu er vores nye forskning, udgivet i Natur Astronomi , præsenterer en måde, hvorpå vi kunne lære, hvordan galakser har udviklet sig inden for dette mærkelige, mørkt stof i det meste af kosmisk tid.

At vi kan se lys udsendt for 13 milliarder år siden kan lyde fantastisk. Men vi kan faktisk se lys udsendt endnu tidligere - før galakser blev dannet. I et par hundrede årtusinder efter dens dannelse, universet var et varmt rod af lyspartikler (fotoner), elektrisk ladede protoner og elektroner (plasma), samt mørkt stof. Fotonerne blev fanget blandt plasmaet:kontinuerligt "spredt" i tilfældige retninger ved næsten konstante interaktioner med de frie elektroner.

Som at prøve at krydse en overfyldt, travle værelse, den gennemsnitlige stillængde for hver foton var meget kort før dens næste interaktion. Dette gjorde universet uigennemskueligt – hvis du prøvede at se gennem dette medie ville det være som at se ind i en tågebanke.

Men 380, 000 år efter Big Bang, universet havde ekspanderet og afkølet til et punkt, hvor de frie elektroner kunne binde sig med protonerne for at danne hydrogenatomer. Spredningen ophørte hurtigt, tillader fotoner at strømme frit over universet uden frie elektroner i vejen.

Da denne overgang skete overalt i universet ret hurtigt, fra vores synspunkt er det, som om alle disse fotoner pludselig blev frigivet fra indersiden af ​​en enorm skal indeholdende den uigennemsigtige suppe af partikler og mørkt stof. Effektivt, denne "skal" er det fjerneste "objekt", vi kan se, i en afstand af 45 milliarder lysår. Forskere kalder det overfladen af ​​sidste spredning.

At rejse gennem kosmos, disse fotoner mister energi, når universet fortsætter med at udvide sig, strækker deres bølgelængder. Og vi kan opdage dem i den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB, som er den stråling, der er tilbage fra universets fødsel.

En kosmisk baggrundsbelysning

Vi har studeret CMB i årtier nu:en masse oplysninger om egenskaberne af det tidlige univers er kodet i dets lys. Men for nylig har det været muligt at udtrække endnu mere information fra den ved at udnytte det faktum, at hver foton i denne stråling har skullet rejse gennem et univers, der er fyldt med stof.

Einsteins generelle relativitetsteori beskriver tyngdekraften som en forvrængning af rum-tid på grund af tilstedeværelsen af ​​et objekt med masse. Denne forvrængning kan afbøje stierne af fotoner, der passerer objektet - et fænomen kendt som gravitationslinser. Så ved at se på, hvordan lys fra en baggrundskilde (som en galakse) afbøjes på grund af et objekt foran det, vi kan beregne egenskaber ved det forgrundsobjekt.

Overfladen af ​​sidste spredning fungerer som et kosmisk baggrundslys, skinner igennem alle stoffet i universet. Som resultat, fotonerne i CMB er gravitationslinser af det mellemliggende stof mellem overfladen og os. Vores syn på CMB er som vores syn på et fjernt landskab set gennem en vinduesrude fyldt med subtile ufuldkommenheder.

Bemærkelsesværdigt, vi kan nu kortlægge disse ufuldkommenheder på tværs af himlen, giver os et middel til at "se" gravitationspræget af al massen i det observerbare univers. Dette giver os en ny måde at studere galakser på. For eksempel, vi kan måle mængden af ​​CMB-linser i forskellige retninger og veje kosmiske strukturer ved blot at se på, hvor meget de har afbøjet CMB-lyset. Dette er, hvad vi lige har gjort for de mest massive objekter i universet:galaksehobe.

En ny måde at veje på

Klynger af galakser indeholder ikke bare galakser:rummet mellem galakserne er fyldt med et varmt plasma, og galakser og gas er nedsænket i mørkt stof. Læg det hele sammen, og den samlede masse overstiger hundrede tusind milliarder sole, skabe store dale i rum-tid.

Forskere har længe ledt efter en pålidelig metode til at omsætte antallet af galakser i klynger til den samlede masse af mørkt stof, gas og stjerner. Vi kan bruge nye linsekort over CMB til netop dette formål. Linsekortene er konstrueret ved at undersøge kort over temperaturudsvingene i CMB. I områder, hvor CMB-fotoner er blevet kraftigt afbøjet, en subtil signatur er præget i temperaturfordelingen. Omhyggeligt filtrering af temperaturkortet afslører linsemønsteret over himlen.

Ved at måle den gennemsnitlige afbøjning af CMB-fotoner omkring klynger, vi har vist, hvordan mængden af ​​nedbøjning - og derfor total masse til stede, inklusive mørkt stof – afhænger af antallet af galakser i hoben. Træde i kræft, vi ser aftrykket i rumtiden af ​​de massive glorier i mørkt stof.

Brug af gravitationslinser til at afsløre forvrængninger i rum-tid omkring galakser og klynger, og derfor lære noget om deres massefordeling, er ikke ny. Men de fleste tidligere undersøgelser involverer linsning af lyset, der kommer fra Andet baggrundsgalakser, snarere end CMB.

Brug af CMB som lyskilde giver enorme fordele. Som overfladen af ​​sidste spredning lyser alle genstande foran den, vi kan undersøge forholdet mellem lysende galakser og de mørke stofstrukturer, de bebor længere tilbage i kosmisk historie, end det hidtil har været muligt.

Ikke alene har strukturer i mørkt stof konstant udviklet sig gennem tyngdekraften, vi ved, at galaksernes egenskaber – såsom deres masse og stjernedannelseshastigheder – er stærkt afhængige af deres miljø i stor skala. Vi forstår stadig ikke helt det link, men CMB-objektiv kan i sidste ende hjælpe os med at finde ud af, hvordan det sker.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.