كثافة المجرة في مجال مسح التطور الكوني (COSMOS) ، مع ألوان تمثل الانزياح الأحمر للمجرات ، بدءًا من الانزياح الأحمر من 0.2 (أزرق) إلى 1 (أحمر). تظهر خطوط الأشعة السينية الوردية انبعاث الأشعة السينية الممتد كما لاحظه XMM-Newton.
المادة المظلمة (في الواقع باردة ، مظلمة - غير باريونية - مادة) يمكن اكتشافها فقط من خلال تأثير الجاذبية. في مجموعات ومجموعات المجرات ، يظهر هذا التأثير كعدسات جاذبية ضعيفة ، والتي يصعب تثبيتها. تتمثل إحدى الطرق لتقدير درجة العدسة التثاقلية بدقة أكبر - وبالتالي توزيع المادة المظلمة - في استخدام انبعاث الأشعة السينية من البلازما الساخنة داخل الكتلة لتحديد موقع مركز الكتلة.
وهذا ما فعله فريق من علماء الفلك مؤخرًا ... وقد أعطونا ، للمرة الأولى ، مقابلاً لكيفية تطور المادة المظلمة على مدى مليارات السنين الماضية.
COSMOS عبارة عن مسح فلكي مصمم لاستكشاف تكوين المجرات وتطورها كدالة للوقت الكوني (الانزياح الأحمر) وبيئة هيكلية واسعة النطاق. يغطي المسح مجالًا استوائيًا بدرجة 2 مع التصوير بواسطة معظم التلسكوبات الفضائية الرئيسية (بما في ذلك هابل و XMM-Newton) وعدد من التلسكوبات الأرضية.
يعد فهم طبيعة المادة المظلمة أحد الأسئلة المفتوحة الرئيسية في علم الكونيات الحديث. في أحد الأساليب المستخدمة لمعالجة هذا السؤال ، يستخدم الفلكيون العلاقة بين الكتلة واللمعان التي تم العثور عليها في مجموعات المجرات التي تربط انبعاثاتها بالأشعة السينية ، وهو مؤشر على كتلة المادة العادية ("الباريونية") وحدها ( بالطبع ، تشتمل المادة الباريونية على الإلكترونات ، وهي لبتونات!) ، وكتلها الإجمالية (الباريونية بالإضافة إلى المادة المظلمة) على النحو الذي تحدده عدسة الجاذبية.
حتى الآن تم إنشاء العلاقة فقط للمجموعات القريبة. حقق العمل الجديد من خلال تعاون دولي ، بما في ذلك معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض (MPE) ، ومختبر الفيزياء الفلكية بمرسيليا (LAM) ، ومختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) ، تقدمًا كبيرًا في توسيع العلاقة إلى أبعد وهياكل أصغر مما كان ممكنا في السابق.
لتحديد العلاقة بين انبعاث الأشعة السينية والمادة المظلمة الأساسية ، استخدم الفريق واحدة من أكبر عينات مجموعات الأشعة السينية ومجموعات المجرات ، التي أنتجها مرصد الأشعة السينية التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، XMM-Newton.
يمكن العثور على مجموعات ومجموعات المجرات بشكل فعال باستخدام انبعاث الأشعة السينية الممتد على مقاييس شبه قوس دقيقة. نتيجة لمنطقته الكبيرة والفعالة ، فإن XMM-Newton هو تلسكوب الأشعة السينية الوحيد الذي يمكنه اكتشاف مستوى الانبعاث الخافت من المجموعات البعيدة وعناقيد المجرات.
قال ألكسيس فينوغينوف من MPE وجامعة ماريلاند ، وهو مؤلف مشارك في ورقة مجلة الفيزياء الفلكية (ApJ) التي أوردت تقرير الفريق: "إن قدرة XMM-Newton على توفير كتالوجات كبيرة من مجموعات المجرات في الحقول العميقة أمر مذهل". النتائج.
نظرًا لأن الأشعة السينية هي أفضل طريقة للعثور على المجموعات وتوصيفها ، فقد اقتصرت معظم دراسات المتابعة حتى الآن على المجموعات ومجموعات المجرات القريبة نسبيًا.
يقول Alexie Leauthaud من قسم الفيزياء في Berkeley Lab ، وهو أول مؤلف لـ: "نظرًا للكتالوجات غير المسبوقة التي تقدمها XMM-Newton ، فقد تمكنا من توسيع قياسات الكتلة إلى هياكل أصغر بكثير ، والتي كانت موجودة في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون". دراسة ApJ.
تحدث العدسة الجاذبية لأن الكتلة تنحني المساحة المحيطة بها ، وتنحني مسار الضوء: كلما زادت الكتلة (وكلما اقتربت من مركز الكتلة) ، كلما زادت انحناءات الفضاء ، وزادت صورة الجسم البعيد المحرفة. وبالتالي فإن قياس التشويه ، أو "القص" ، هو المفتاح لقياس كتلة جسم العدسة.
في حالة ضعف عدسة الجاذبية (كما هو مستخدم في هذه الدراسة) ، يكون القص خفيًا جدًا بحيث لا يمكن رؤيته مباشرة ، ولكن يمكن حساب التشوهات الإضافية الباهتة في مجموعة من المجرات البعيدة إحصائيًا ، ومتوسط القص بسبب عدسة بعض الضخامة الضخمة يمكن حساب الكائن أمامهم. ومع ذلك ، من أجل حساب كتلة العدسة من متوسط القص ، يحتاج المرء إلى معرفة مركزها.
يقول Leauthaud: "إن مشكلة التكتلات عالية الانزياح الأحمر هي أنه من الصعب تحديد أي مجرة تقع بالضبط في مركز الكتلة". "هذا هو المكان الذي تساعد فيه الأشعة السينية. يمكن استخدام لمعان الأشعة السينية من عنقود مجرة للعثور على مركزها بدقة بالغة. "
بمعرفة مراكز الكتلة من تحليل انبعاث الأشعة السينية ، يمكن لـ Leauthaud وزملائه بعد ذلك استخدام عدسة ضعيفة لتقدير الكتلة الإجمالية للمجموعات والمجموعات البعيدة بدقة أكبر من أي وقت مضى.
كانت الخطوة الأخيرة هي تحديد لمعان الأشعة السينية لكل عنقود مجري ورسمه مقابل الكتلة المحددة من العدسة الضعيفة ، مع علاقة لمعان الكتلة الناتجة للمجموعة الجديدة من المجموعات والمجموعات التي تمتد الدراسات السابقة إلى كتل أقل وأعلى الانزياحات الحمراء. في حالة عدم اليقين المحسوب ، تتبع العلاقة نفس المنحدر المستقيم من عناقيد المجرات القريبة إلى البعيدة ؛ يرتبط عامل التحجيم المتسق البسيط بالكتلة الكلية (الباريونية بالإضافة إلى الداكنة) لمجموعة أو عنقود إلى سطوع الأشعة السينية ، وهذا الأخير يقيس الكتلة الباريونية وحدها.
يقول جان بول كنيب ، أحد مؤلفي مشارك: "من خلال تأكيد علاقة اللمعان الشامل وتوسيعها إلى انزياحات حمراء عالية ، فقد اتخذنا خطوة صغيرة في الاتجاه الصحيح نحو استخدام العدسة الضعيفة كأداة قوية لقياس تطور البنية". ورقة ApJ من LAM والمركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS).
يمكن إرجاع أصل المجرات إلى اختلافات طفيفة في كثافة الكون الحار المبكر. لا يزال من الممكن رؤية آثار هذه الاختلافات على أنها اختلافات دقيقة في درجة الحرارة في الخلفية الميكروية الكونية (CMB) - البقع الساخنة والباردة.
يقول جورج سموت ، مدير مركز بيركلي للفيزياء الكونية (BCCP) ، الأستاذ: "الاختلافات التي نلاحظها في سماء الميكروويف القديمة تمثل البصمات التي تطورت بمرور الوقت في سقالات المادة المظلمة الكونية للمجرات التي نراها اليوم". الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، وعضو قسم الفيزياء في بيركلي لاب. شارك Smoot في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 لقياس التباين في CMB وهو أحد مؤلفي ورقة ApJ. "من المثير للغاية أن نتمكن بالفعل من قياس عدسات الجاذبية لكيفية انهيار المادة المظلمة وتطورها منذ البداية."
أحد أهداف دراسة تطور البنية هو فهم المادة المظلمة نفسها ، وكيفية تفاعلها مع المادة العادية التي نراها. هدف آخر هو معرفة المزيد عن الطاقة المظلمة ، وهي الظاهرة الغامضة التي تدفع المادة بعيداً عن بعضها البعض وتتسبب في تمدد الكون بمعدل متسارع. تبقى العديد من الأسئلة دون إجابة: هل الطاقة المظلمة ثابتة أم ديناميكية؟ أم أنها مجرد وهم ناتج عن قيود في نظرية النسبية العامة لأينشتاين؟
إن الأدوات التي توفرها علاقة السطوع الشامل الممتدة ستفعل الكثير للإجابة على هذه الأسئلة حول الأدوار المتعارضة للجاذبية والطاقة المظلمة في تشكيل الكون ، الآن وفي المستقبل.
المصادر: وكالة الفضاء الأوروبية ، وورقة نشرت في عدد 20 يناير 2010 من مجلة Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 هي النسخة التمهيدية)
