Densidade de galáxia no campo Cosmic Evolution Survey (COSMOS), com cores representando o desvio para o vermelho das galáxias, variando de desvio para o vermelho de 0,2 (azul) a 1 (vermelho). Os contornos de raios-x cor-de-rosa mostram a emissão estendida de raios-x, como observado por XMM-Newton.
A matéria escura (na verdade fria, escura - matéria não bariônica) pode ser detectada apenas por sua influência gravitacional. Em aglomerados e grupos de galáxias, essa influência aparece como lentes gravitacionais fracas, difíceis de identificar. Uma maneira de estimar com mais precisão o grau de lentes gravitacionais - e, portanto, a distribuição da matéria escura - é usar a emissão de raios-x do plasma quente intra-cluster para localizar o centro de massa.
E foi exatamente isso que uma equipe de astrônomos fez recentemente ... e eles, pela primeira vez, nos deram uma idéia de como a matéria escura evoluiu nos últimos bilhões de anos.
COSMOS é uma pesquisa astronômica projetada para investigar a formação e evolução de galáxias em função do tempo cósmico (desvio para o vermelho) e do ambiente de estrutura em larga escala. A pesquisa abrange um campo equatorial de 2 graus quadrados com imagens da maioria dos principais telescópios espaciais (incluindo Hubble e XMM-Newton) e vários telescópios terrestres.
Compreender a natureza da matéria escura é uma das principais questões em aberto na cosmologia moderna. Em uma das abordagens usadas para resolver essa questão, os astrônomos usam a relação entre massa e luminosidade encontrada para aglomerados de galáxias que ligam suas emissões de raios-x, uma indicação da massa da matéria comum (“bariônica”) sozinha ( é claro que a matéria bariônica inclui elétrons, que são leptons!), e suas massas totais (bariônica mais matéria escura), conforme determinado por lentes gravitacionais.
Até o momento, o relacionamento foi estabelecido apenas para clusters próximos. Novos trabalhos de uma colaboração internacional, incluindo o Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), o Laboratório de Astrofísica de Marselha (LAM) e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório Berkeley), fizeram grandes progressos na extensão do relacionamento para distantes e estruturas menores do que era possível anteriormente.
Para estabelecer o vínculo entre emissão de raios-x e matéria escura subjacente, a equipe usou uma das maiores amostras de grupos e aglomerados de galáxias selecionados por raios-x, produzidos pelo observatório de raios-x da ESA, XMM-Newton.
Grupos e aglomerados de galáxias podem ser efetivamente encontrados usando sua emissão de raios-X estendida em escalas sub-minuciosas. Como resultado de sua grande área efetiva, o XMM-Newton é o único telescópio de raios X que pode detectar o nível fraco de emissão de grupos distantes e aglomerados de galáxias.
"A capacidade da XMM-Newton de fornecer grandes catálogos de grupos de galáxias em campos profundos é surpreendente", disse Alexis Finoguenov, do MPE, e da Universidade de Maryland, coautora do recente artigo Astrophysical Journal (ApJ), que relatou o relatório da equipe. resultados.
Como os raios X são a melhor maneira de encontrar e caracterizar aglomerados, a maioria dos estudos de acompanhamento até agora se limita a grupos e aglomerados de galáxias relativamente próximos.
“Dados os catálogos sem precedentes fornecidos pela XMM-Newton, fomos capazes de estender as medidas de massa a estruturas muito menores, que existiam muito antes na história do Universo”, diz Alexie Leauthaud, da Divisão de Física do Berkeley Lab, a primeira autora de o estudo da ApJ.
As lentes gravitacionais ocorrem porque a massa curva o espaço ao seu redor, dobrando o caminho da luz: quanto mais massa (e quanto mais próximo ele estiver do centro de massa), mais espaço se curva e mais a imagem de um objeto distante é deslocada e deslocada. distorcido. Assim, medir a distorção, ou "cisalhamento", é fundamental para medir a massa do objeto de lente.
No caso de lentes gravitacionais fracas (como usado neste estudo), o cisalhamento é muito sutil para ser visto diretamente, mas distorções adicionais fracas em uma coleção de galáxias distantes podem ser calculadas estatisticamente, e o cisalhamento médio devido à lente de algumas massas massivas. objeto na frente deles pode ser calculado. No entanto, para calcular a massa da lente a partir do cisalhamento médio, é preciso conhecer seu centro.
“O problema dos aglomerados com alto desvio para o vermelho é que é difícil determinar exatamente qual galáxia está no centro do aglomerado”, diz Leauthaud. "É aí que os raios-x ajudam. A luminosidade dos raios X de um aglomerado de galáxias pode ser usada para encontrar seu centro com muita precisão. ”
Conhecendo os centros de massa a partir da análise da emissão de raios-X, Leauthaud e seus colegas poderiam então usar lentes fracas para estimar a massa total dos grupos distantes e aglomerados com maior precisão do que nunca.
O passo final foi determinar a luminosidade dos raios X de cada aglomerado de galáxias e plotá-la contra a massa determinada pelas lentes fracas, com a resultante relação de luminosidade da massa para a nova coleção de grupos e aglomerados, estendendo estudos anteriores para massas menores e maiores redshifts. Dentro da incerteza calculável, a relação segue a mesma inclinação reta dos aglomerados de galáxias próximos para os distantes; um fator de escala consistente simples relaciona a massa total (bariônica mais escura) de um grupo ou cluster ao seu brilho de raios-x, este último medindo apenas a massa bariônica.
“Ao confirmar a relação massa-luminosidade e estendê-la para altos redshifts, demos um pequeno passo na direção certa para usar lentes fracas como uma ferramenta poderosa para medir a evolução da estrutura”, diz Jean-Paul Kneib, co-autor do artigo da ApJ do LAM e do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França (CNRS).
A origem das galáxias pode ser rastreada até pequenas diferenças na densidade do universo quente e primitivo; os traços dessas diferenças ainda podem ser vistos como pequenas diferenças de temperatura no fundo cósmico de microondas (CMB) - pontos quentes e frios.
"As variações que observamos no antigo céu de microondas representam as impressões que se desenvolveram ao longo do tempo no andaime cósmico de matéria escura para as galáxias que vemos hoje", diz George Smoot, diretor do Centro de Física Cosmológica de Berkeley (BCCP), professor de física na Universidade da Califórnia em Berkeley e membro da Divisão de Física do Berkeley Lab. Smoot compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2006 por medir anisotropias no CMB e é um dos autores do artigo da ApJ. "É muito empolgante podermos medir, com lentes gravitacionais, como a matéria escura entrou em colapso e evoluiu desde o início".
Um objetivo no estudo da evolução da estrutura é entender a própria matéria escura e como ela interage com a matéria comum que podemos ver. Outro objetivo é aprender mais sobre a energia escura, o fenômeno misterioso que está separando a matéria e fazendo com que o Universo se expanda a uma velocidade acelerada. Muitas perguntas permanecem sem resposta: a energia escura é constante ou é dinâmica? Ou é apenas uma ilusão causada por uma limitação na Teoria Geral da Relatividade de Einstein?
As ferramentas fornecidas pelo relacionamento estendido de luminosidade de massa farão muito para responder a essas perguntas sobre os papéis opostos da gravidade e energia escura na formação do Universo, agora e no futuro.
Fontes: ESA, e um artigo publicado na edição de 20 de janeiro de 2010 do Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 é a pré-impressão)
