توجد مجموعات من مئات أو آلاف المجرات عند تقاطعات خيوط المادة العملاقة المتقاطعة التي تشكل نسيج الكون. عندما تسحب الجاذبية كل شيء في كل مجموعة مجرات نحو مركزها، ينضغط الغاز الذي يملأ الفراغ بين المجرات، مما يؤدي إلى تسخينه وتوهجه في الأشعة السينية.

قضى تلسكوب eRosita X-ray، الذي تم إطلاقه في الفضاء في عام 2019، أكثر من عامين في جمع أصوات الضوء عالي الطاقة من جميع أنحاء السماء. وقد أتاحت هذه البيانات للعلماء رسم خريطة لمواقع وأحجام آلاف العناقيد المجرية، التي لم يكن ثلثاها معروفًا من قبل. في عدد كبير من الأوراق تم نشره على الإنترنت في 14 فبراير وسيظهر في المجلة علم الفلك والفيزياء الفلكيةاستخدم العلماء كتالوجهم الأولي للمجموعات للإجابة على العديد من الأسئلة الكبيرة في علم الكونيات.

وتشمل النتائج تقديرات جديدة لتكتل الكون - وهي سمة نوقشت كثيرا في الآونة الأخيرةكما وجدت قياسات حديثة أخرى أنها سلسة بشكل غير متوقع - وتحتوي على كتل من الجسيمات الشبيهة بالأشباح تسمى النيوترينوات وخاصية أساسية للطاقة المظلمة، الطاقة التنافرية الغامضة التي تسرع من توسع الكون.

يحدد النموذج الحاكم لعلماء الكونيات الطاقة المظلمة بأنها طاقة الفضاء نفسه ويربطها بـ 70% من محتويات الكون. ربع الكون الآخر عبارة عن مادة مظلمة غير مرئية، و5% عبارة عن مادة عادية وإشعاع. وكل ذلك يتطور تحت قوة الجاذبية. لكن بعض الملاحظات من العقد الماضي تتحدى هذا "النموذج القياسي" لعلم الكونيات، مما يزيد من احتمال أن النموذج يفتقد المكونات أو التأثيرات التي يمكن أن تؤدي إلى فهم أعمق.

وعلى النقيض من ذلك، تعزز ملاحظات eRosita الصورة الحالية من جميع النواحي. قال: "إنه تأكيد رائع للنموذج القياسي". دراغان هوتيرر، عالم الكونيات في جامعة ميشيغان الذي لم يشارك في العمل.

الأشعة السينية للكون

بعد الانفجار الكبير، أصبحت التغيرات الدقيقة في الكثافة في الكون الوليد تدريجيًا أكثر وضوحًا، حيث تلاقت جزيئات المادة ببعضها البعض. واجتذبت الكتل الأكثر كثافة المزيد من المواد وازداد حجمها. اليوم، تعد مجموعات المجرات أكبر الهياكل المرتبطة بالجاذبية في الكون. إن تحديد أحجامها وتوزيعها يتيح لعلماء الكونيات اختبار نموذجهم لكيفية تطور الكون.

وللعثور على مجموعات، قام فريق eRosita بتدريب خوارزمية حاسوبية للبحث عن مصادر الأشعة السينية "الرقيقة حقًا" بدلاً من الأجسام النقطية، كما قال. إسراء بلبل من معهد ماكس بلانك لفيزياء خارج الأرض في جارشينج بألمانيا، والذي قاد عمليات رصد مجموعة إيروسيتا. وقالت إنهم قاموا بتقليص قائمة المرشحين إلى "عينة نقية للغاية"، من 5,259 مجموعة مجرية، من بين ما يقرب من مليون مصدر للأشعة السينية التي اكتشفها التلسكوب.

ثم كان عليهم معرفة مدى ثقل هذه المجموعات. تعمل الأجسام الضخمة على ثني نسيج الزمكان، مما يؤدي إلى تغيير اتجاه مرور الضوء وجعل مصدر الضوء يبدو مشوهًا - وهي ظاهرة تسمى عدسة الجاذبية. تمكن علماء eRosita من حساب كتل بعض مجموعاتهم البالغ عددها 5,259 بناءً على عدسة المجرات البعيدة الموجودة خلفها. في حين أن ثلث العناقيد فقط كان يعرف أن المجرات الخلفية تصطف بهذه الطريقة، فقد وجد العلماء أن كتلة العنقود ترتبط بقوة مع سطوع الأشعة السينية الخاصة بها. وبسبب هذا الارتباط القوي، تمكنوا من استخدام السطوع لتقدير كتل العناقيد المتبقية.

ثم قاموا بإدخال المعلومات الجماعية في عمليات محاكاة حاسوبية للكون المتطور لاستنتاج قيم المعلمات الكونية.

قياس التكتل

أحد الأرقام المثيرة للاهتمام هو "عامل التكتل" في الكون، S₈. و S₈ إن قيمة الصفر ستمثل عدمًا كونيًا شاسعًا، يشبه السهل المسطح الذي لا توجد فيه صخرة في الأفق. ان S₈ القيمة الأقرب إلى 1 تتوافق مع الجبال شديدة الانحدار التي تلوح في الأفق فوق الوديان العميقة. وقد قدر العلماء S₈ بناءً على قياسات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) - الضوء القديم القادم من الكون المبكر. ومن خلال استقراء التغيرات الأولية في كثافة الكون، يتوقع الباحثون وجود التيار S₈ القيمة 0.83

لكن دراسات حديثة وبالنظر إلى المجرات اليوم فقد تم قياس قيم أقل بنسبة 8% إلى 10%، مما يعني أن الكون سلس بشكل غير متوقع. وقد أثار هذا التناقض اهتمام علماء الكونيات، حيث من المحتمل أن يشير إلى وجود تصدعات في النموذج الكوني القياسي.

ومع ذلك، لم يجد فريق eRosita أي تناقض من هذا القبيل. وقال: "كانت نتائجنا متوافقة بشكل أساسي مع التنبؤات المبكرة جدًا، من CMB". فيتوريو جيرارديني، الذي قاد التحليل. قام هو وزملاؤه بحساب S₈ من 0.85.

وقال غيرارديني إن بعض أعضاء الفريق أصيبوا بخيبة أمل، لأن التلميح إلى المكونات المفقودة كان احتمالًا أكثر إثارة من مطابقة النظرية المعروفة.

أما مؤشر ال S₈ وقال إن القيمة التي تجلس أعلى قليلاً من تقديرات CMB ستؤدي على الأرجح إلى مزيد من التحليل من الفرق الأخرى جيريت شيلينبرجر، عالم فيزياء فلكية يدرس مجموعات المجرات في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية. "أعتقد أنها ربما ليست الورقة الأخيرة التي رأيناها حول هذا الموضوع."

وزن النيوترينوات

وقال إن النيوترينوات الغزيرة تشكلت في بداية الكون، بما يقارب عدد الفوتونات (جسيمات الضوء). ماريلينا لوفيردي، عالم الكونيات في جامعة واشنطن. لكن الفيزيائيين يعرفون أن النيوترينوات، على عكس الفوتونات، يجب أن يكون لها كتل صغيرة بسبب تأرجحهم بين ثلاثة أنواع. لا تكتسب الجسيمات كتلة من خلال نفس آلية الجسيمات الأولية الأخرى، لذا فإن كتلتها لغز تمت دراسته كثيرًا. والسؤال الأول هو مدى ضخامة حجمها في الواقع.

يستطيع علماء الكونيات تقدير كتلة النيوترينوات من خلال دراسة تأثيراتها على بنية الكون. تنطلق النيوترينوات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتمر عبر مادة أخرى بدلاً من الالتصاق بها. لذا فإن وجودهم في الكون قد خفف من تكتله. قال لوفيردي: "كلما زادت كتلة النيوترينوات، زادت الكتلة الناعمة على تلك المقاييس [الكبيرة]".

من خلال الجمع بين قياسات عنقود المجرات وقياسات CMB، قدر فريق eRosita أن مجموع كتل الأنواع الثلاثة من النيوترينوات لا يزيد عن 0.11 إلكترون فولت، أو أقل من جزء من المليون من كتلة الإلكترون. وقد أجريت تجارب نيوترينو أخرى أنشأت الحد الأدنى، مما يدل على أن كتل النيوترينو الثلاثة يجب أن يصل مجموعها إلى 0.06 فولت على الأقل (لترتيب واحد محتمل لقيم الكتلة الثلاث) أو 0.1 فولت (للترتيب المقلوب). ومع تقلص المسافة بين الحدين العلوي والسفلي، يقترب العلماء من تحديد قيمة كتلة النيوترينو. وقال بلبل: “نحن في الواقع على وشك تحقيق انفراجة”. وفي إصدارات لاحقة من البيانات، تمكن فريق eRosita من خفض الحد الأعلى بدرجة كافية لاستبعاد نماذج كتلة النيوترينو ذات الترتيب المقلوب.

هناك ما يبرر الحذر. أي جزيئات أخرى سريعة وخفيفة الوزن قد تكون موجودة - مثل أكسيونات، الجسيمات الافتراضية المقترحة كمرشحين للمادة المظلمة – سيكون لها نفس التأثيرات على تكوين البنية. وسوف يُدخلون أخطاءً في قياس كتلة النيوترينو.

تتبع الطاقة المظلمة

لا يمكن لقياسات عنقود المجرات أن تكشف ليس فقط كيفية نمو الهياكل، ولكن أيضًا كيف تم إعاقة نموها بواسطة الطاقة المظلمة - وهي طبقة زجاجية رقيقة من الطاقة التنافرية التي تتخلل الفضاء، وتسرع توسع الفضاء، وبالتالي تفصل المادة.

إذا كانت الطاقة المظلمة هي طاقة الفضاء نفسه، كما يفترض النموذج القياسي لعلم الكونيات، فسيكون لها كثافة ثابتة في جميع أنحاء المكان والزمان (ولهذا السبب يشار إليها أحيانًا بالثابت الكوني). لكن إذا كانت كثافتها تنخفض مع مرور الوقت، فهذا شيء آخر تمامًا. يقول سيباستيان غرانديس، عضو فريق eRosita في جامعة إنسبروك في النمسا: "هذا هو السؤال الأكبر الذي يطرحه علم الكونيات".

من خلال خريطتهم لآلاف العناقيد، وجد الباحثون أن الطاقة المظلمة تتطابق مع ملف تعريف الثابت الكوني، على الرغم من أن قياسهم به درجة من عدم اليقين بنسبة 10٪، لذا فإن كثافة الطاقة المظلمة المتغيرة قليلاً تظل ممكنة.

في الأصل، كان من المقرر أن تقوم إي روزيتا، الموجودة على متن مركبة فضائية روسية، بإجراء ثمانية مسوحات لكامل السماء، ولكن في فبراير 2022، بعد أسابيع من بدء التلسكوب مسحه الخامس، غزت روسيا أوكرانيا. ردًا على ذلك، قام الجانب الألماني من التعاون، الذي يشغل ويدير eRosita، بوضع التلسكوب في الوضع الآمن، وأوقف جميع عمليات المراقبة العلمية.

هذه الأوراق الأولية مستمدة من بيانات الأشهر الستة الأولى فقط. وتتوقع المجموعة الألمانية العثور على حوالي أربعة أضعاف عدد العناقيد المجرية خلال 1.5 سنة إضافية من عمليات الرصد، مما سيسمح بتحديد كل هذه المعلمات الكونية بدقة أكبر. قال: "يمكن أن يكون علم الكونيات العنقودي هو التحقيق الأكثر حساسية في علم الكونيات بخلاف الإشعاع CMB". أنجا فون دير ليندن، عالم فيزياء فلكية في جامعة ستوني بروك.

وتظهر نتائجهم الأولية قوة مصدر المعلومات غير المستغل نسبيا. وقال غرانديس: "نحن نوع من الطفل الجديد في المنطقة".