Na tropie tajemniczej siły w kosmosie – Naukowcy rzucili nowe światło na ciemną energię

Wstępne badanie ciemnej energii za pomocą eROSITA wskazuje, że jest ona równomiernie rozproszona w czasie i przestrzeni.

Obserwacje odległych galaktyk przeprowadzone przez Edwina Hubble’a w latach dwudziestych XX wieku doprowadziły do ​​przełomowego wniosku, że nasz wszechświat się rozszerza. Jednak dopiero w 1998 roku naukowcy badający supernowe typu Ia dokonali zaskakującego odkrycia. Odkryli, że nie tylko wszechświat rośnie, ale jego ekspansja przyspiesza.

„Aby wyjaśnić to przyspieszenie, potrzebujemy źródła” – mówi Joe Mohr, astrofizyk z LMU. „Nazywamy to źródło„ ciemną energią ”, która zapewnia rodzaj„ antygrawitacji ”, aby przyspieszyć kosmiczną ekspansję”.

Z naukowego punktu widzenia istnienie ciemnej energii i przyspieszenia kosmicznego jest zaskoczeniem, a to wskazuje, że nasze obecne rozumienie fizyki jest albo niepełne, albo błędne. Znaczenie ekspansji wykładniczej zostało podkreślone w 2011 roku, kiedy jej odkrywcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

„Tymczasem natura ciemnej energii stała się kolejnym problemem nagrodzonym Nagrodą Nobla” – mówi Mohr.

I-Non Chiu z National Cheng Kung University na Tajwanie, we współpracy z astrofizykami LMU Matthiasem Kleinem, Sebastienem Bouquetem i Joe Mohrem, opublikował właśnie pierwsze badanie ciemnej energii za pomocą teleskopu rentgenowskiego eROSITA, które koncentruje się na gromadach galaktyk.

Antygrawitacja, którą wywołałaby ciemna energia, odpycha obiekty od siebie i powstrzymuje tworzenie się dużych ciał kosmicznych, które w innym przypadku powstałyby z powodu przyciągającej siły grawitacji. Jako taka, ciemna energia wpływa na to, gdzie i jak powstają największe obiekty we wszechświecie — gromady galaktyk o całkowitej masie od 1013 do 1015 mas Słońca.

„Możemy się wiele dowiedzieć o naturze ciemnej energii, licząc liczbę gromad galaktyk tworzących się we wszechświecie w funkcji czasu – lub w obserwowalnym wszechświecie jako funkcję przesunięcia ku czerwieni” – wyjaśnia Klein.

Jednak gromady galaktyk są niezwykle rzadkie i trudne do znalezienia, co wymaga skanowania dużej części nieba za pomocą najbardziej czułych teleskopów na świecie. W tym celu w 2019 roku wystrzelono kosmiczny teleskop rentgenowski eROSITA — projekt prowadzony przez Instytut Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka (MPE) w Monachium — w celu przeprowadzenia szerokiego przeglądu nieba w poszukiwaniu gromad galaktyk.

W eROSITA Final Tropical Depth Survey (eFEDS), małym przeglądzie mającym na celu zweryfikowanie wydajności późniejszego przeglądu całego nieba, znaleziono około 500 gromad galaktyk. Jest to jedna z największych jak dotąd próbek gromad galaktyk o małej masie i obejmuje ostatnie 10 miliardów lat kosmicznej ewolucji.

Do swoich badań Chiu i współpracownicy wykorzystali dodatkowy zestaw danych oprócz danych eFEDS – dane fotometryczne ze strategicznego programu Subaru Hyper Suprime-Cam, kierowanego przez społeczności astronomiczne w Japonii i na Tajwanie oraz[{” attribute=””>Princeton University.

The former LMU doctoral researcher I-Non Chiu and his LMU colleagues used this data to characterize the galaxy clusters in eFEDS and measure their masses using the process of weak gravitational lensing. The combination of the two datasets enabled the first cosmological study using galaxy clusters detected by eROSITA.

Their results show that, through comparison between the data and theoretical predictions, dark energy makes up around 76% of the total energy density in the universe. Moreover, the calculations indicated that the energy density of dark energy appears to be uniform in space and constant in time.

“Our results also agree well with other independent approaches, such as previous galaxy cluster studies as well as those using weak gravitational lensing and the cosmic microwave background,” says Bocquet. So far, all pieces of observational evidence, including the latest results from eFEDS, suggest that dark energy can be described by a simple constant, usually referred to as the ‘cosmological constant.’

“Although the current errors on the dark energy constraints are still larger than we would wish, this research employs a sample from eFEDS that after all occupies an area less than 1% of the full sky,” says Mohr. This first analysis has thus laid a solid foundation for future studies of the full-sky eROSITA sample as well as other cluster samples.

Reference: “Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey” by I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr and Sebastian Bocquet, 21 April 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad957