Clusters van honderden of duizenden sterrenstelsels bevinden zich op de kruispunten van gigantische, kriskras door elkaar lopende filamenten van materie die het tapijt van de kosmos vormen. Terwijl de zwaartekracht alles in elke cluster van sterrenstelsels naar het centrum trekt, wordt het gas dat de ruimte tussen de sterrenstelsels vult, gecomprimeerd, waardoor het opwarmt en gloeit in röntgenstraling.

De eRosita-röntgentelescoop, die in 2019 de ruimte in werd gebracht, heeft ruim twee jaar lang pings van hoogenergetisch licht uit de hele hemel verzameld. De gegevens hebben wetenschappers in staat gesteld de locaties en afmetingen van duizenden clusters van sterrenstelsels in kaart te brengen, waarvan tweederde voorheen onbekend was. In een hoop papieren online geplaatst op 14 februari en zal verschijnen in het tijdschrift Astronomie en astrofysicagebruikten de wetenschappers hun oorspronkelijke catalogus van clusters om een ​​aantal grote vragen van de kosmologie te beantwoorden.

De resultaten omvatten nieuwe schattingen van de klontigheid van de kosmos – een veelbesproken kenmerk van de laatste tijd, zoals uit andere recente metingen is gebleken, is het onverwacht glad - en van de massa's spookachtige deeltjes die neutrino's worden genoemd en van een belangrijke eigenschap van donkere energie, de mysterieuze afstotende energie die de uitdijing van het universum versnelt.

Het heersende model van het universum van kosmologen identificeert donkere energie als de energie van de ruimte zelf en koppelt deze aan 70% van de inhoud van het universum. Nog eens een kwart van het heelal bestaat uit onzichtbare donkere materie, en 5% uit gewone materie en straling. Het evolueert allemaal onder invloed van de zwaartekracht. Maar sommige waarnemingen van het afgelopen decennium tarten dit ‘standaardmodel’ van de kosmologie, waardoor de mogelijkheid ontstaat dat het model ingrediënten of effecten mist die tot een dieper begrip zouden kunnen leiden.

De waarnemingen van eRosita versterken daarentegen het bestaande beeld in alle opzichten. “Het is een opmerkelijke bevestiging van het standaardmodel”, zegt hij Dragan Huterer, een kosmoloog aan de Universiteit van Michigan die niet bij het werk betrokken was.

Röntgenonderzoek van de kosmos

Na de oerknal werden subtiele dichtheidsvariaties in het pasgeboren universum geleidelijk duidelijker naarmate materiedeeltjes op elkaar botsten. De dichtere klonten trokken meer materiaal aan en werden groter. Tegenwoordig zijn clusters van sterrenstelsels de grootste door zwaartekracht gebonden structuren in de kosmos. Door hun omvang en verspreiding te bepalen, kunnen kosmologen hun model van hoe het universum is geëvolueerd, testen.

Om clusters te vinden, heeft het eRosita-team een ​​computeralgoritme getraind om te zoeken naar ‘echt pluizige’ röntgenbronnen in plaats van puntachtige objecten, zei Esra Bulbul van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Garching, Duitsland, die leiding gaf aan de clusterobservaties van eRosita. Ze hebben een lijst met kandidaten teruggebracht tot een ‘extreem zuiver monster’, zei ze, van 5,259 clusters van sterrenstelsels, uit de bijna 1 miljoen bronnen van röntgenstraling die de telescoop heeft gedetecteerd.

Vervolgens moesten ze uitzoeken hoe zwaar deze clusters zijn. Grote objecten buigen het weefsel van de ruimte-tijd, veranderen de richting van het passerende licht en zorgen ervoor dat de lichtbron vervormd lijkt - een fenomeen dat zwaartekrachtlens wordt genoemd. De eRosita-wetenschappers konden de massa van enkele van hun 5,259 clusters berekenen op basis van de lenswerking van verder weg gelegen sterrenstelsels die erachter zitten. Hoewel slechts een derde van hun clusters achtergrondstelsels kende die op deze manier waren opgesteld, ontdekten de wetenschappers dat de clustermassa sterk correleerde met de helderheid van hun röntgenstraling. Vanwege deze sterke correlatie konden ze helderheid gebruiken om de massa van de resterende clusters te schatten.

Vervolgens voerden ze de massa-informatie in computersimulaties van de evoluerende kosmos in om de waarden van kosmische parameters af te leiden.

Klontigheid meten

Eén getal dat van belang is, is de ‘klontigheidsfactor’ van het universum, S₈. Een S₈ De waarde nul zou een enorm kosmisch niets vertegenwoordigen, vergelijkbaar met een vlakke vlakte waar nauwelijks een rots te zien is. Een S₈ een waarde dichter bij 1 komt overeen met steile bergen die boven diepe valleien opdoemen. Wetenschappers hebben geschat S₈ gebaseerd op metingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) – oud licht afkomstig uit het vroege universum. Extrapolerend op basis van de aanvankelijke dichtheidsvariaties in de kosmos verwachten onderzoekers de stroming S₈ waarde 0.83 zijn.

Maar Recent onderzoek Als we vandaag de dag naar sterrenstelsels kijken, zijn de gemeten waarden 8% tot 10% lager, wat impliceert dat het universum onverwacht glad is. Die discrepantie heeft kosmologen geïntrigeerd en wijst mogelijk op scheuren in het standaard kosmologische model.

Het eRosita-team ontdekte een dergelijke discrepantie echter niet. “Ons resultaat was in principe in lijn met de voorspelling van het allereerste begin van de CMB,” zei Vittorio Ghirardini, die de analyse leidde. Hij en zijn collega's berekenden een S₈ van 0.85.

Sommige teamleden waren teleurgesteld, zei Ghirardini, omdat het suggereren van ontbrekende ingrediënten een spannender vooruitzicht was dan het matchen van de bekende theorie.

De S₈ Als de waarde iets hoger ligt dan de CMB-schatting, zal dit waarschijnlijk tot meer analyses van andere teams leiden, aldus de onderzoekers Gerrit Schellenberger, een astrofysicus die clusters van sterrenstelsels bestudeert aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “Ik geloof dat dit waarschijnlijk niet het laatste artikel is dat we over dit onderwerp hebben gezien.”

Neutrino's wegen

In het vroege heelal werden overvloedige neutrino’s gevormd – bijna net zoveel als fotonen (lichtdeeltjes). Marilena Loverde, een kosmoloog aan de Universiteit van Washington. Maar natuurkundigen weten dat neutrino’s, in tegenstelling tot fotonen, moet een kleine massa hebben vanwege de manier waarop ze heen en weer bewegen tussen drie typen. De deeltjes verwerven geen massa via hetzelfde mechanisme als andere elementaire deeltjes, dus hun massa is een veel bestudeerd mysterie. En de eerste vraag is hoe groot ze eigenlijk zijn.

Kosmologen kunnen de massa van neutrino's schatten door hun effecten op de structuur van de kosmos te bestuderen. Neutrino's vliegen rond met bijna de snelheid van het licht en gaan dwars door andere materie heen in plaats van erop te glunderen. Dus hun aanwezigheid in de kosmos heeft de klonterigheid ervan verzwakt. “Hoe meer massa je op neutrino’s legt, hoe meer massa glad is op die [grote] schalen,” zei Loverde.

Door hun clustermetingen van sterrenstelsels te combineren met CMB-metingen, schatte het eRosita-team dat de som van de massa's van de drie soorten neutrino's niet meer dan 0.11 elektronvolt (eV) bedraagt, of minder dan een miljoenste van de massa van een elektron. Andere neutrino-experimenten hebben dat wel gedaan een ondergrens vastgesteld, wat aantoont dat de drie neutrinomassa's opgeteld minstens 0.06 eV moeten zijn (voor één mogelijke ordening van de drie massawaarden) of 0.1 eV (voor de omgekeerde orde). Naarmate de afstand tussen de boven- en ondergrens kleiner wordt, komen wetenschappers steeds dichter bij het vaststellen van de waarde van de neutrinomassa. ‘We staan ​​feitelijk op de rand van een doorbraak’, zei Bulbul. In daaropvolgende gegevenspublicaties zou het eRosita-team de bovengrens voldoende kunnen verlagen om de neutrinomassamodellen met omgekeerde volgorde uit te sluiten.

Voorzichtigheid is geboden. Alle andere snelle, lichtgewicht deeltjes die mogelijk bestaan, zoals Axionszouden hypothetische deeltjes die worden voorgesteld als kandidaten voor donkere materie dezelfde effecten hebben op de structuurvorming. En ze zouden fouten introduceren in de meting van de neutrinomassa.

Donkere energie volgen

Metingen van clusters van sterrenstelsels kunnen niet alleen onthullen hoe structuren groeiden, maar ook hoe hun groei werd belemmerd door donkere energie – het dunne glazuur van afstotende energie dat de ruimte doordringt, de uitdijing van de ruimte versnelt en daardoor materie scheidt.

Als donkere energie de energie van de ruimte zelf is, zoals het standaardmodel van de kosmologie aanneemt, dan zal het een constante dichtheid hebben in ruimte en tijd (daarom wordt het ook wel de kosmologische constante genoemd). Maar als de dichtheid ervan in de loop van de tijd afneemt, dan is er iets heel anders aan de hand. “Dat is de grootste vraag die de kosmologie heeft”, zegt Sebastian Grandis, teamlid van eRosita aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk.

Uit hun kaart van duizenden clusters ontdekten de onderzoekers dat donkere energie overeenkomt met het profiel van een kosmologische constante, hoewel hun meting een onzekerheid van 10% heeft, dus een altijd zo licht variërende donkere energiedichtheid blijft mogelijk.

Oorspronkelijk zou eRosita, dat zich aan boord van een Russisch ruimtevaartuig bevindt, acht volledige hemelonderzoeken uitvoeren, maar in februari 2022, weken nadat de telescoop aan zijn vijfde onderzoek begon, viel Rusland Oekraïne binnen. Als reactie hierop heeft de Duitse kant van de samenwerking, die eRosita exploiteert en beheert, de telescoop in de veilige modus gezet en alle wetenschappelijke waarnemingen stopgezet.

Deze eerste artikelen zijn alleen gebaseerd op gegevens uit de eerste zes maanden. De Duitse groep verwacht in de extra anderhalf jaar van waarnemingen ongeveer vier keer zoveel clusters van sterrenstelsels te vinden, waardoor al deze kosmologische parameters nauwkeuriger kunnen worden vastgesteld. “Clusterkosmologie zou de meest gevoelige kosmologische sonde kunnen zijn, afgezien van de CMB”, zegt hij Anja von der Linden, een astrofysicus aan de Stony Brook University.

Hun eerste resultaten tonen de kracht aan van een relatief onaangeboorde informatiebron. 'Wij zijn een beetje de nieuweling in de buurt,' zei Grandis.