Precyzyjne pomiary światła wewnątrzgromadowego sugerują możliwy związek z ciemną materią

Połączenie danych obserwacyjnych i zaawansowanych symulacji komputerowych zaowocowało postępem w dziedzinie astrofizyki, która zanikła pół wieku temu. Przegląd Dark Energy Survey opublikował serię nowych wyników dotyczących tzw. światła wewnątrzgromadowego (ang. intracluster light – ICL), słaby rodzaj światła znajdującego się w gromadach galaktyk.

Pierwsza seria nowych, precyzyjnych pomiarów ICL, pojawiła się w artykule opublikowanym w The Astrophysical Journal w kwietniu 2019 roku. Kolejna pojawiła się niedawno w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. W niespodziewanym odkryciu tego ostatniego przeglądu, fizycy DES odkryli nowe dowody na to, że ICL może zapewnić nowy sposób pomiaru tajemniczej substancji zwanej ciemną materią.

Wydaje się, że źródłem ICL są gwiazdy niezwiązane grawitacyjnie z żadną galaktyką. Od dawna podejrzewano, że ICL może być istotnym składnikiem gromady galaktyk, ale jego słabość utrudnia pomiary. Nikt nie wie, ile ich jest, ani w jakim stopniu rozprzestrzeniły się przez gromady galaktyk.

„Obserwacyjnie odkryliśmy, że światło wewnątrzgromadowe jest całkiem dobrym radialnym znacznikiem ciemnej materii. Oznacza to, że tam, gdzie światło wewnątrzgromadowe jest stosunkowo jasne, ciemna materia jest stosunkowo gęsta. Zmierzenie samego ICL jest dość ekscytujące. Ciemna materia jest nieoczekiwanym odkryciem. Nie tego się spodziewaliśmy” – powiedział Yuanyuan Zhang, naukowiec z Fermilab, który prowadził obydwa badania.

Chociaż niewidzialna, ciemna materia stanowi większość materii we Wszechświecie. To, z czego składa się ciemna materia, jest jedną z głównych tajemnic współczesnej kosmologii. Naukowcy wiedzą tylko, że znacznie różni się od zwykłej materii składającej się z protonów, neutronów i elektronów, które dominują w życiu codziennym.

Jednak ICL, a nie ciemna materia, było początkowo tematem programu zespołu badawczego. Większość astrofizyków mierzy światło wewnątrzgromadowe w centrum gromady galaktyk, gdzie jest ono najjaśniejsze i najobfitsze.

Zespół wykorzystał do badań słabe soczewkowanie grawitacyjne, aby porównać rozkład radialny ICL – jak zmienia się on wraz z odległością od centrum gromady – z radialnym rozkładem masy gromady galaktyk. Słabe soczewkowanie to metoda pomiaru masy galaktyki lub gromady wrażliwa na ciemną materię. Soczewkowanie zachodzi, gdy grawitacja gwiazdy lub gromady na pierwszym planie zakrzywia światło z bardziej odległej galaktyki, pozornie zniekształcając jej kształt.

Obserwacje wykazały, że ICL odzwierciedla zarówno rozkład całkowitej widzialnej masy gromady galaktyk, jak i ewentualnie rozkład niewidzialnej ciemnej materii.

Porównanie obserwacji z symulacjami
Aby uzyskać więcej informacji, zespół wykorzystał zaawansowaną symulację komputerową do zbadania związku między ICL a ciemną materią. Okazało się, że profile radialne między dwoma zjawiskami w symulacji nie zgadzały się z danymi obserwacyjnymi. W symulacji „profil radialny ICL nie był najlepszym składnikiem do śledzenia ciemnej materii” – powiedział Sampaio-Santos, który pracuje w National Observatory w Rio de Janeiro w Brazylii.

Zhang zauważył, że jest za wcześnie, aby dokładnie określić, co spowodowało konflikt między obserwacją a symulacją.

Sampaio-Santos zauważył, że dalsze badania ICL mogą dać wgląd w dynamikę zachodzącą w gromadach galaktyk, w tym interakcje grawitacyjnie uwalniające niektóre z gwiazd, umożliwiając im wędrówki.

Wzmocnienie sygnałów w zaszumionych zestawach danych
ICL, które zmierzył zespół, jest około tysiąca razy słabsze od tego, co naukowcy DES zwykle próbują. Oznacza to, że zespół miał do czynienia z dużym szumem i zanieczyszczeniem sygnału.

Techniczny aspekt tego wyczynu był trudny, powiedział Zhang, „ale ponieważ mieliśmy sporo danych z Dark Energy Survey, byliśmy w stanie wyeliminować wiele szumów, aby wykonać tego rodzaju pomiar. To uśrednienie statystyczne.”

Aby uzyskać szerszy obraz i wyeliminować szum, zespół DES uśrednił statystycznie około 300 gromad galaktyk w pierwszym badaniu i ponad 500 gromad w drugim. Wszystkie znajdują się kilka miliardów lat świetlnych od Ziemi.

Pomiary ICL sondują gromady znajdujące się do 3,3 mld lat świetlnych od Ziemi. W przyszłych badaniach Zhang chciałby zbadać ewolucję przesunięcia ku czerwieni w ICL – jak zmienia się ono w kosmicznym czasie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Fermilab

Vega

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *