Galaktens täthet i Cosmic Evolution Survey (COSMOS) -fältet, med färger som representerar galaxernas rödförskjutning, från rödskift på 0,2 (blå) till 1 (röd). Rosa röntgenkonturer visar den utökade röntgenemissionen som observerats av XMM-Newton.
Mörk materia (faktiskt kall, mörk - icke-baryonisk - materia) kan bara upptäckas genom dess gravitationspåverkan. I kluster och grupper av galaxer visar detta inflytande sig som en svag gravitationslinsning, vilket är svårt att spika ner. Ett sätt att mycket mer exakt uppskatta gravitationslinsningens gradering - och sålunda fördelningen av mörk materia - är att använda röntgenstrålningen från den heta intra-klusterplasma för att lokalisera masscentrumet.
Och det är precis vad ett team av astronomer nyligen har gjort ... och de har för första gången gett oss ett grepp om hur mörk materia har utvecklats under de senaste miljarder åren.
COSMOS är en astronomisk undersökning utformad för att undersöka bildandet och utvecklingen av galaxer som en funktion av den kosmiska tiden (rödskift) och storskalig strukturmiljö. Undersökningen omfattar ett 2 kvadratgraders ekvatorialt fält med avbildning av de flesta större rymdbaserade teleskop (inklusive Hubble och XMM-Newton) och ett antal markbaserade teleskoper.
Att förstå arten av mörk materia är en av de viktigaste öppna frågorna i modern kosmologi. I en av de metoder som används för att ta itu med denna fråga använder astronomer förhållandet mellan massa och ljusstyrka som har hittats för kluster av galaxer som kopplar samman deras röntgenutsläpp, en indikation på massan av den vanliga ("baryoniska") frågan ensam ( naturligtvis inkluderar baryonic materia elektroner, som är leptoner!), och deras totala massor (baryonic plus mörk materia) som bestäms av gravitationslinsning.
Hittills har förhållandet endast upprättats för närliggande kluster. Nytt arbete av ett internationellt samarbete, inklusive Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Laboratory of Astrophysics of Marseilles (LAM) och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har gjort stora framsteg när det gäller att utvidga förhållandet till mer avlägset och mindre strukturer än vad som tidigare var möjligt.
För att fastställa kopplingen mellan röntgenemission och underliggande mörk materia, använde teamet ett av de största proverna av röntgenvalda grupper och kluster av galaxer, producerade av ESA: s röntgenobservatorium, XMM-Newton.
Grupper och kluster av galaxer kan hittas effektivt med hjälp av deras utökade röntgenstrålning på sub-arcminute skalor. Som ett resultat av det stora effektiva området är XMM-Newton det enda röntgenteleskopet som kan upptäcka den svaga utsläppsnivån från avlägsna grupper och galaxkluster.
"XMM-Newtons förmåga att tillhandahålla stora kataloger över galaxgrupper i djupa fält är häpnadsväckande," sade Alexis Finoguenov från MPE och University of Maryland, en medförfattare till den senaste tidningen Astrophysical Journal (ApJ) som rapporterade teamets resultat.
Eftersom röntgenbilder är det bästa sättet att hitta och karakterisera kluster, har de flesta uppföljningsstudier hittills varit begränsade till relativt närliggande grupper och galaxkluster.
"Med tanke på de oöverträffade katalogerna från XMM-Newton har vi kunnat utöka mätningar av massa till mycket mindre strukturer, som fanns mycket tidigare i universums historia," säger Alexie Leauthaud från Berkeley Labs fysikavdelning, den första författaren till ApJ-studien.
Gravitationslinsning inträffar på grund av att massan krökar utrymmet runt det och böjer ljusbanan: ju mer massa (och ju närmare det är massans centrum), desto mer rymd böjs och desto mer förskjuts bilden av ett avlägset objekt och förvrängd. Således mäter distorsion, eller 'skjuvning', är nyckeln till att mäta linsningsobjektets massa.
I fallet med svag gravitationslinsning (som används i denna studie) är skjuven för subtil för att kunna ses direkt, men svaga ytterligare snedvridningar i en samling av avlägsna galaxer kan beräknas statistiskt, och den genomsnittliga skjuvningen på grund av linsningen av vissa massiva objekt framför dem kan beräknas. Men för att beräkna linsens massa från genomsnittlig skjuvning måste man veta dess centrum.
"Problemet med högrödskiftkluster är att det är svårt att avgöra exakt vilken galax som ligger i mitten av klustret," säger Leauthaud. "Det är där röntgenstrålarna hjälper. Röntgenstrålkastarens ljusstyrka från ett galaxkluster kan användas för att hitta dess centrum mycket exakt. "
Genom att känna till masscentrumen från analysen av röntgenstrålning kunde Leauthaud och kollegor sedan använda svag linsning för att uppskatta den totala massan för de avlägsna grupperna och klusterna med större noggrannhet än någonsin tidigare.
Det sista steget var att bestämma röntgenljusstyrka för varje galaxkluster och plotta den mot massan bestämd från den svaga linsen, med den resulterande massluminositetsrelationen för den nya samlingen av grupper och kluster som utvidgade tidigare studier till lägre massor och högre redshifts. Inom beräkningsbar osäkerhet följer förhållandet samma raka lutning från närliggande galaxkluster till avlägsna; en enkel konsekvent skalfaktor relaterar den totala massan (baryon plus mörk) för en grupp eller ett kluster till dess röntgenljusstyrka, varvid den senare mäter den baryoniska massan ensam.
"Genom att bekräfta mass-ljusstyrka-förhållandet och utöka det till höga rödförskjutningar har vi tagit ett litet steg i rätt riktning mot att använda svag linsning som ett kraftfullt verktyg för att mäta utvecklingen av strukturen," säger Jean-Paul Kneib, en medförfattare av ApJ-dokumentet från LAM och Frankrikes nationella centrum för vetenskaplig forskning (CNRS).
Galaxiernas ursprung kan spåras tillbaka till små skillnader i densiteten hos det heta, tidiga universum; spår av dessa skillnader kan fortfarande ses som små temperaturskillnader i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - varma och kalla ställen.
"De variationer som vi observerar på den forntida mikrovågs himlen representerar avtryck som utvecklats över tid till den kosmiska ställningen med mörka ämnen för galaxerna vi ser idag," säger George Smoot, chef för Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), en professor av fysik vid University of California i Berkeley, och en medlem av Berkeley Labs fysikavdelning. Smoot delade Nobelpriset i fysik 2006 för att mäta anisotropier i CMB och är en av författarna till ApJ-tidningen. "Det är väldigt spännande att vi faktiskt kan mäta med gravitationslinsning hur den mörka materien har kollapsat och utvecklats sedan början."
Ett mål för att studera utvecklingen av struktur är att förstå själva mörk materia och hur den interagerar med den vanliga materien vi kan se. Ett annat mål är att lära sig mer om mörk energi, det mystiska fenomenet som skjuter isär materia och får universum att expandera med en snabbare hastighet. Många frågor förblir obesvarade: Är mörk energi konstant, eller är den dynamisk? Eller är det bara en illusion orsakad av en begränsning i Einsteins allmänna relativitetsteori?
Verktygen som tillhandahålls av det utökade mass-ljusstyrka-förhållandet kommer att göra mycket för att besvara dessa frågor om de motsatta rollen tyngdkraft och mörk energi i att forma universum, nu och i framtiden.
Källor: ESA och ett papper som publicerades i 20 januari 2010-numret av Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 är förtrycket)
