An den Schnittpunkten riesiger, kreuz und quer verlaufender Materiefilamente, die das Geflecht des Kosmos bilden, liegen Cluster aus Hunderten oder Tausenden von Galaxien. Da die Schwerkraft alles in jedem Galaxienhaufen in Richtung seines Zentrums zieht, wird das Gas, das den Raum zwischen den Galaxien füllt, komprimiert, wodurch es sich erwärmt und im Röntgenlicht leuchtet.

Das 2019 ins All beförderte Röntgenteleskop eRosita verbrachte mehr als zwei Jahre damit, Pings hochenergetischen Lichts vom gesamten Himmel zu sammeln. Die Daten haben es Wissenschaftlern ermöglicht, die Standorte und Größen Tausender Galaxienhaufen zu kartieren, von denen zwei Drittel bisher unbekannt waren. In eine Menge Papiere Am 14. Februar online veröffentlicht und in der Zeitschrift erscheinen Astronomie & Astrophysikverwendeten die Wissenschaftler ihren ersten Cluster-Katalog, um sich zu mehreren großen Fragen der Kosmologie zu äußern.

Die Ergebnisse beinhalten neue Schätzungen der Klumpigkeit des Kosmos – ein viel diskutiertes Merkmal der letzten Zeit, da andere aktuelle Messungen ergeben haben, dass es unerwartet glatt ist – und von den Massen geisterhafter Teilchen, die Neutrinos genannt werden, und von einer Schlüsseleigenschaft der Dunklen Energie, der mysteriösen abstoßenden Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt.

Das vorherrschende Modell des Universums der Kosmologen identifiziert dunkle Energie als die Energie des Raums selbst und macht 70 % des Inhalts des Universums aus. Ein weiteres Viertel des Universums besteht aus unsichtbarer dunkler Materie und 5 % sind gewöhnliche Materie und Strahlung. Alles entwickelt sich unter der Kraft der Schwerkraft. Einige Beobachtungen aus dem letzten Jahrzehnt widersprechen jedoch diesem „Standardmodell“ der Kosmologie und lassen vermuten, dass dem Modell Zutaten oder Effekte fehlen, die zu einem tieferen Verständnis führen könnten.

Die eRosita-Beobachtungen hingegen untermauern das bestehende Bild in jeder Hinsicht. „Es ist eine bemerkenswerte Bestätigung des Standardmodells“, sagte er Dragan Huterer, ein Kosmologe an der University of Michigan, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Den Kosmos röntgen

Nach dem Urknall wurden subtile Dichteschwankungen im neugeborenen Universum allmählich deutlicher, als Materieteilchen aufeinander prallten. Die dichteren Klumpen zogen mehr Material an und wurden größer. Galaxienhaufen sind heute die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Kosmos. Durch die Bestimmung ihrer Größe und Verteilung können Kosmologen ihr Modell der Entwicklung des Universums testen.

Um Cluster zu finden, trainierte das eRosita-Team einen Computeralgorithmus, um nach „wirklich flauschigen“ Röntgenquellen statt nach punktförmigen Objekten zu suchen, sagte er Esra Bulbul vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland, der die Clusterbeobachtungen von eRosita leitete. Sie reduzierten die Liste der Kandidaten auf eine „extrem reine Stichprobe“ von 5,259 Galaxienhaufen aus den fast 1 Million Röntgenquellen, die das Teleskop entdeckt hatte, sagte sie.

Anschließend mussten sie herausfinden, wie schwer diese Cluster sind. Massive Objekte verbiegen das Gefüge der Raumzeit, ändern die Richtung des durchfallenden Lichts und lassen die Lichtquelle verzerrt erscheinen – ein Phänomen, das Gravitationslinseneffekt genannt wird. Die eRosita-Wissenschaftler konnten die Massen einiger ihrer 5,259 Cluster anhand der Linsenwirkung weiter entfernter Galaxien dahinter berechnen. Während nur ein Drittel ihrer Galaxienhaufen bekannte Hintergrundgalaxien aufwiesen, die auf diese Weise angeordnet waren, stellten die Wissenschaftler fest, dass die Masse der Galaxienhaufen stark mit der Helligkeit ihrer Röntgenstrahlen korrelierte. Aufgrund dieser starken Korrelation konnten sie die Helligkeit nutzen, um die Massen der verbleibenden Cluster abzuschätzen.

Anschließend speisten sie die Masseninformationen in Computersimulationen des sich entwickelnden Kosmos ein, um daraus die Werte kosmischer Parameter abzuleiten.

Messung der Klumpenbildung

Eine interessante Zahl ist der „Klumpigkeitsfaktor“ des Universums. S₈Eine S₈ Der Wert Null würde ein riesiges kosmisches Nichts darstellen, ähnlich einer flachen Ebene, in der kein Fels zu sehen ist. Ein S₈ Ein Wert näher bei 1 entspricht steilen Bergen, die über tiefe Täler ragen. Wissenschaftler haben geschätzt S₈ basierend auf Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) – altes Licht aus dem frühen Universum. Durch Extrapolation aus den anfänglichen Dichteschwankungen des Kosmos erwarten die Forscher die Strömung S₈ Der Wert soll 0.83 sein.

Jedoch müssen auch aktuelle Studien Bei der Betrachtung heutiger Galaxien liegen die Messwerte um 8 bis 10 % niedriger, was darauf hindeutet, dass das Universum unerwartet glatt ist. Diese Diskrepanz hat Kosmologen fasziniert und deutet möglicherweise auf Risse im kosmologischen Standardmodell hin.

Das eRosita-Team konnte jedoch keine solche Diskrepanz feststellen. „Unser Ergebnis entsprach im Wesentlichen der Vorhersage des CMB von Anfang an“, sagte er Vittorio Ghirardini, der die Analyse leitete. Er und seine Kollegen berechneten eine S₈ von 0.85.

Einige Teammitglieder seien enttäuscht, sagte Ghirardini, da der Hinweis auf fehlende Zutaten spannender sei als die Übereinstimmung mit der bekannten Theorie.

Der S₈ Der Wert, der etwas über der CMB-Schätzung liegt, wird wahrscheinlich weitere Analysen bei anderen Teams auslösen, sagte er Gerrit Schellenberger, ein Astrophysiker, der Galaxienhaufen am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics untersucht. „Ich glaube, es ist wahrscheinlich nicht der letzte Artikel, den wir zu diesem Thema gesehen haben.“

Neutrinos wiegen

Im frühen Universum bildeten sich zahlreiche Neutrinos – fast so viele wie Photonen (Lichtteilchen), heißt es Marilena Loverde, ein Kosmologe an der University of Washington. Aber Physiker wissen, dass Neutrinos im Gegensatz zu Photonen muss winzige Massen haben weil sie zwischen drei Typen schwanken. Die Teilchen gewinnen nicht durch den gleichen Mechanismus an Masse wie andere Elementarteilchen, daher ist ihre Masse ein viel erforschtes Rätsel. Und die erste Frage ist, wie massiv sie tatsächlich sind.

Kosmologen können die Masse von Neutrinos abschätzen, indem sie ihre Auswirkungen auf die Struktur des Kosmos untersuchen. Neutrinos rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umher und durchdringen andere Materie, anstatt auf ihr zu leuchten. Ihre Anwesenheit im Kosmos hat also seine Klumpigkeit abgeschwächt. „Je mehr Masse man Neutrinos zuordnet, desto mehr Masse ist auf diesen [großen] Skalen glatt“, sagte Loverde.

Durch die Kombination ihrer Galaxienhaufenmessungen mit CMB-Messungen schätzte das eRosita-Team, dass die Summe der Massen der drei Arten von Neutrinos nicht mehr als 0.11 Elektronenvolt (eV) oder weniger als ein Millionstel der Masse eines Elektrons beträgt. Andere Neutrino-Experimente haben eine Untergrenze festgelegt, was zeigt, dass die drei Neutrinomassen mindestens 0.06 eV (für eine mögliche Reihenfolge der drei Massenwerte) oder 0.1 eV (für die umgekehrte Reihenfolge) ergeben müssen. Da der Abstand zwischen der oberen und unteren Grenze kleiner wird, kommen Wissenschaftler der genauen Bestimmung des Wertes der Neutrinomasse immer näher. „Wir stehen tatsächlich kurz vor dem Durchbruch“, sagte Bulbul. In späteren Datenveröffentlichungen konnte das eRosita-Team die Obergrenze so weit nach unten verschieben, dass die Neutrino-Massenmodelle umgekehrter Ordnung ausgeschlossen wurden.

Vorsicht ist geboten. Alle anderen schnellen, leichten Partikel, die möglicherweise vorhanden sind – wie z Axionen, hypothetische Teilchen, die als Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen werden – hätten die gleichen Auswirkungen auf die Strukturbildung. Und sie würden Fehler in die Neutrino-Massenmessung einbringen.

Dunkle Energie aufspüren

Messungen von Galaxienhaufen können nicht nur zeigen, wie Strukturen wuchsen, sondern auch, wie ihr Wachstum durch dunkle Energie behindert wurde – die dünne Schicht abstoßender Energie, die den Weltraum durchdringt, die Expansion des Weltraums beschleunigt und dadurch Materie trennt.

Wenn dunkle Energie die Energie des Raums selbst ist, wie das Standardmodell der Kosmologie annimmt, dann hat sie über Raum und Zeit hinweg eine konstante Dichte (deshalb wird sie manchmal auch als kosmologische Konstante bezeichnet). Aber wenn seine Dichte stattdessen mit der Zeit abnimmt, dann ist das etwas ganz anderes. „Das ist die größte Frage der Kosmologie“, sagte Sebastian Grandis, ein eRosita-Teammitglied an der Universität Innsbruck in Österreich.

Anhand ihrer Karte von Tausenden Clustern stellten die Forscher fest, dass die dunkle Energie dem Profil einer kosmologischen Konstante entspricht, obwohl ihre Messung eine Unsicherheit von 10 % aufweist, sodass eine geringfügig variierende Dichte der dunklen Energie weiterhin möglich ist.

Ursprünglich sollte eRosita, das an Bord einer russischen Raumsonde sitzt, acht vollständige Himmelsdurchmusterungen durchführen, doch im Februar 2022, Wochen nachdem das Teleskop mit seiner fünften Durchmusterung begonnen hatte, marschierte Russland in die Ukraine ein. Als Reaktion darauf versetzte die deutsche Seite der Zusammenarbeit, die eRosita betreibt und betreibt, das Teleskop in den abgesicherten Modus und stellte alle wissenschaftlichen Beobachtungen ein.

Diese ersten Papiere basieren nur auf den Daten der ersten sechs Monate. Die deutsche Gruppe geht davon aus, in den weiteren 1.5 Beobachtungsjahren etwa viermal so viele Galaxienhaufen zu finden, was eine genauere Bestimmung all dieser kosmologischen Parameter ermöglichen wird. „Die Cluster-Kosmologie könnte neben dem CMB die empfindlichste Sonde der Kosmologie sein“, sagte er Anja von der Linden, ein Astrophysiker an der Stony Brook University.

Ihre ersten Ergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit einer relativ unerschlossenen Informationsquelle. „Wir sind sozusagen der Neuling auf dem Block“, sagte Grandis.