Các cụm gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn thiên hà nằm ở giao điểm của các sợi vật chất khổng lồ, đan chéo tạo thành tấm thảm của vũ trụ. Khi trọng lực kéo mọi thứ trong mỗi cụm thiên hà về phía trung tâm của nó, khí lấp đầy không gian giữa các thiên hà bị nén lại, khiến nó nóng lên và phát sáng dưới dạng tia X.

Kính thiên văn tia X eRosita, được đưa vào vũ trụ vào năm 2019, đã mất hơn hai năm để thu thập các tia sáng năng lượng cao từ khắp bầu trời. Dữ liệu đã cho phép các nhà khoa học lập bản đồ vị trí và kích thước của hàng nghìn cụm thiên hà, XNUMX/XNUMX trong số đó trước đây chưa được biết đến. TRONG một đống giấy tờ đăng trực tuyến vào ngày 14 tháng XNUMX sẽ xuất hiện trên tạp chí Thiên văn học & Vật lý thiên văn, các nhà khoa học đã sử dụng danh mục các cụm ban đầu của họ để cân nhắc một số câu hỏi lớn của vũ trụ học.

Kết quả bao gồm những ước tính mới về độ vón cục của vũ trụ - một đặc điểm được thảo luận nhiều về muộn, như các phép đo khác gần đây cho thấy nó trơn tru một cách bất ngờ - và có khối lượng các hạt ma quái gọi là neutrino và một tính chất quan trọng của năng lượng tối, năng lượng đẩy bí ẩn đang tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Mô hình vũ trụ thống trị của các nhà vũ trụ học xác định năng lượng tối là năng lượng của chính không gian và chốt nó ở mức 70% thành phần của vũ trụ. Hơn một phần tư vũ trụ là vật chất tối vô hình và 5% là vật chất thông thường và bức xạ. Tất cả đều đang phát triển dưới tác dụng của trọng lực. Nhưng một số quan sát từ thập kỷ trước đã thách thức “mô hình tiêu chuẩn” này của vũ trụ học, làm tăng khả năng mô hình này thiếu các thành phần hoặc hiệu ứng có thể mở ra một sự hiểu biết sâu sắc hơn.

Ngược lại, các quan sát của eRosita củng cố bức tranh hiện có về mọi mặt. “Đó là một sự xác nhận đáng chú ý về mô hình tiêu chuẩn,” nói Thợ săn rồng, một nhà vũ trụ học tại Đại học Michigan, người không tham gia vào công việc này.

Tia X vào vũ trụ

Sau Vụ nổ lớn, những biến đổi mật độ tinh tế trong vũ trụ mới hình thành dần dần trở nên rõ ràng hơn khi các hạt vật chất kết dính vào nhau. Những khối dày đặc hơn kéo theo nhiều vật chất hơn và ngày càng lớn hơn. Ngày nay, các cụm thiên hà là cấu trúc liên kết hấp dẫn lớn nhất trong vũ trụ. Việc xác định kích thước và sự phân bố của chúng cho phép các nhà vũ trụ học kiểm tra mô hình của họ về cách vũ trụ phát triển.

Để tìm ra các cụm, nhóm eRosita đã đào tạo một thuật toán máy tính để tìm kiếm các nguồn tia X “thực sự mịn” thay vì các vật thể dạng điểm, cho biết Esra Bulbul của Viện Vật lý Ngoài Trái đất Max Planck ở Garching, Đức, người đứng đầu các quan sát cụm của eRosita. Cô cho biết, họ đã rút gọn danh sách các ứng cử viên thành một “mẫu cực kỳ tinh khiết” gồm 5,259 cụm thiên hà, trong số gần 1 triệu nguồn tia X mà kính viễn vọng đã phát hiện được.

Sau đó họ phải tính xem những cụm này nặng bao nhiêu. Các vật thể có khối lượng lớn làm cong kết cấu của không-thời gian, thay đổi hướng ánh sáng truyền qua và làm cho nguồn ánh sáng có vẻ bị bóp méo – một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn. Các nhà khoa học eRosita có thể tính toán khối lượng của một số trong số 5,259 cụm của chúng dựa trên thấu kính của các thiên hà xa hơn nằm phía sau chúng. Mặc dù chỉ một phần ba trong số các cụm của chúng đã biết các thiên hà nền được xếp theo cách này, nhưng các nhà khoa học phát hiện ra rằng khối lượng của cụm có mối tương quan chặt chẽ với độ sáng của tia X của chúng. Do mối tương quan chặt chẽ này, họ có thể sử dụng độ sáng để ước tính khối lượng của các cụm còn lại.

Sau đó, họ đưa thông tin đại chúng vào các mô phỏng máy tính về vũ trụ đang phát triển để suy ra giá trị của các thông số vũ trụ.

Đo độ vón cục

Một số đáng quan tâm là “yếu tố vón cục” của vũ trụ, S₈. An S₈ giá trị bằng 0 sẽ đại diện cho một khoảng không vũ trụ rộng lớn, giống như một đồng bằng bằng phẳng không có một tảng đá nào trong tầm mắt. MỘT S₈ giá trị gần 1 tương ứng với những ngọn núi dốc thấp thoáng trên các thung lũng sâu. Các nhà khoa học đã ước tính S₈ dựa trên các phép đo nền vi sóng vũ trụ (CMB) - ánh sáng cổ xưa đến từ vũ trụ sơ khai. Ngoại suy từ những biến đổi mật độ ban đầu của vũ trụ, các nhà nghiên cứu kỳ vọng dòng điện S₈ giá trị là 0.83.

Nhưng nghiên cứu gần đây nhìn vào các thiên hà ngày nay có giá trị đo được thấp hơn từ 8% đến 10%, ngụ ý rằng vũ trụ phẳng lặng đến không ngờ. Sự khác biệt đó đã khiến các nhà vũ trụ học tò mò, có khả năng chỉ ra những vết nứt trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn.

Tuy nhiên, nhóm eRosita không tìm thấy sự khác biệt nào như vậy. “Kết quả của chúng tôi về cơ bản phù hợp với dự đoán từ rất sớm của CMB,” cho biết Vittorio Ghirardini, người dẫn đầu cuộc phân tích. Ông và các đồng nghiệp đã tính toán S₈ của 0.85.

Ghirardini cho biết, một số thành viên trong nhóm đã thất vọng vì việc gợi ý về các thành phần còn thiếu là một triển vọng thú vị hơn so với việc phù hợp với lý thuyết đã biết.

Những S₈ giá trị cao hơn một chút so với ước tính của CMB có thể sẽ kích hoạt nhiều phân tích hơn từ các nhóm khác, cho biết Gerrit Schellenberger, một nhà vật lý thiên văn nghiên cứu các cụm thiên hà tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian. “Tôi tin rằng đây có lẽ không phải là bài báo cuối cùng chúng ta thấy về chủ đề đó.”

Cân neutrino

Số lượng neutrino hình thành trong vũ trụ sơ khai – gần bằng số photon (hạt ánh sáng), cho biết Người tình Marilena, một nhà vũ trụ học tại Đại học Washington. Nhưng các nhà vật lý biết rằng neutrino, không giống như photon, phải có khối lượng nhỏ vì cách chúng dao động giữa ba loại. Các hạt không thu được khối lượng thông qua cơ chế giống như các hạt cơ bản khác, vì vậy khối lượng của chúng là một bí ẩn được nghiên cứu nhiều. Và câu hỏi đầu tiên là chúng thực sự lớn đến mức nào.

Các nhà vũ trụ học có thể ước tính khối lượng neutrino bằng cách nghiên cứu tác động của chúng lên cấu trúc của vũ trụ. Neutrino chuyển động xung quanh với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và xuyên qua vật chất khác thay vì lao thẳng vào nó. Vì vậy, sự hiện diện của họ trong vũ trụ đã làm giảm đi tính kết khối của nó. Loverde nói: “Bạn càng đặt nhiều khối lượng lên neutrino thì khối lượng càng mịn trên những quy mô [lớn] đó”.

Kết hợp các phép đo cụm thiên hà của họ với các phép đo CMB, đội eRosita ước tính tổng khối lượng của ba loại neutrino không lớn hơn 0.11 electron volt (eV), hay nhỏ hơn một phần triệu khối lượng của một electron. Các thí nghiệm neutrino khác có thiết lập giới hạn dưới, chứng tỏ rằng ba khối lượng neutrino phải cộng lại ít nhất bằng 0.06 eV (đối với một bậc có thể có của ba giá trị khối lượng) hoặc 0.1 eV (đối với bậc đảo ngược). Khi khoảng cách giữa giới hạn trên và giới hạn dưới thu hẹp lại, các nhà khoa học đang tiến gần hơn đến việc xác định chính xác giá trị của khối lượng neutrino. “Chúng tôi thực sự đang trên đà tạo ra bước đột phá,” Bulbul nói. Trong các lần công bố dữ liệu tiếp theo, nhóm eRosita có thể đẩy giới hạn trên xuống đủ để loại trừ các mô hình khối lượng neutrino đảo ngược.

Thận trọng được bảo hành. Bất kỳ hạt nhẹ, nhanh nào khác có thể tồn tại - chẳng hạn như trục, các hạt giả thuyết được đề xuất làm ứng cử viên cho vật chất tối - sẽ có tác động tương tự lên sự hình thành cấu trúc. Và họ sẽ gây ra sai số trong phép đo khối lượng neutrino.

Theo dõi năng lượng tối

Các phép đo của cụm thiên hà có thể tiết lộ không chỉ các cấu trúc phát triển như thế nào mà còn tiết lộ sự phát triển của chúng bị cản trở bởi năng lượng tối như thế nào – lớp men mỏng của năng lượng đẩy tràn vào không gian, làm tăng tốc độ giãn nở của không gian và từ đó tách rời vật chất.

Nếu năng lượng tối là năng lượng của chính không gian, như mô hình chuẩn của vũ trụ học giả định, thì nó sẽ có mật độ không đổi trong không gian và thời gian (đó là lý do tại sao đôi khi nó được gọi là hằng số vũ trụ). Nhưng nếu mật độ của nó giảm dần theo thời gian thì đó hoàn toàn là một vấn đề khác. Sebastian Grandis, thành viên nhóm eRosita tại Đại học Innsbruck ở Áo, cho biết: “Đó là câu hỏi lớn nhất mà vũ trụ học đặt ra.

Từ bản đồ hàng nghìn cụm của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng năng lượng tối phù hợp với đặc tính của hằng số vũ trụ, mặc dù phép đo của họ có sai số 10%, do đó, mật độ năng lượng tối thay đổi rất ít vẫn có thể xảy ra.

Ban đầu, eRosita, đặt trên tàu vũ trụ của Nga, dự định thực hiện 2022 cuộc khảo sát toàn bầu trời, nhưng vào tháng XNUMX năm XNUMX, vài tuần sau khi kính viễn vọng bắt đầu cuộc khảo sát thứ năm, Nga đã xâm chiếm Ukraine. Đáp lại, phía Đức hợp tác, vận hành và điều hành eRosita, đã đặt kính thiên văn ở chế độ an toàn, ngừng mọi quan sát khoa học.

Những bài báo ban đầu này chỉ lấy dữ liệu từ sáu tháng đầu tiên. Nhóm người Đức hy vọng sẽ tìm thấy số lượng cụm thiên hà nhiều gấp bốn lần trong 1.5 năm quan sát bổ sung, điều này sẽ cho phép xác định chính xác tất cả các thông số vũ trụ này với độ chính xác cao hơn. “Vũ trụ học cụm có thể là thăm dò vũ trụ nhạy cảm nhất ngoài CMB,” cho biết Anja von der Linden, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Stony Brook.

Kết quả ban đầu của họ chứng minh sức mạnh của một nguồn thông tin tương đối chưa được khai thác. Grandis nói: “Chúng tôi là một đứa trẻ mới vào nghề.