Ketumpatan galaksi di medan Penyiasatan Evolusi Kosmik (COSMOS), dengan warna mewakili pergeseran merah galaksi, mulai dari pergeseran merah 0,2 (biru) hingga 1 (merah). Kontur sinar-x merah jambu menunjukkan pelepasan sinar-x yang diperpanjang seperti yang diperhatikan oleh XMM-Newton.
Bahan gelap (sebenarnya sejuk, gelap - bukan baryonik - jirim) dapat dikesan hanya dengan pengaruh graviti. Dalam kelompok dan kumpulan galaksi, pengaruh itu muncul sebagai lensa graviti yang lemah, yang sukar dipahami. Salah satu cara untuk menganggarkan tahap lensa graviti dengan lebih tepat - dan pengedaran bahan gelap - adalah dengan menggunakan pancaran sinar-x dari plasma intra-kluster yang panas untuk mencari pusat jisim.
Dan itulah yang dilakukan oleh pasukan astronomi baru-baru ini ... dan mereka, untuk pertama kalinya, memberi kita penekanan mengenai bagaimana bahan gelap telah berkembang sejak berbilion tahun terakhir.
COSMOS adalah tinjauan astronomi yang dirancang untuk menyelidiki pembentukan dan evolusi galaksi sebagai fungsi masa kosmik (pergeseran merah) dan persekitaran struktur skala besar. Tinjauan ini merangkumi medan khatulistiwa 2 persegi dengan pengimejan oleh sebahagian besar teleskop berasaskan ruang angkasa (termasuk Hubble dan XMM-Newton) dan sejumlah teleskop darat.
Memahami sifat jirim gelap adalah salah satu persoalan terbuka utama dalam kosmologi moden. Dalam salah satu pendekatan yang digunakan untuk menangani persoalan ini, para astronom menggunakan hubungan antara jisim dan cahaya yang telah dijumpai untuk kelompok galaksi yang menghubungkan pelepasan sinar-x mereka, satu petunjuk jisim perkara biasa ("baryonic") sahaja ( tentu saja, bahan baryonic merangkumi elektron, yang merupakan lepton!), dan jumlah jisimnya (baryonic plus materi gelap) seperti yang ditentukan oleh lensa graviti.
Sehingga kini hubungan itu hanya terjalin untuk kelompok yang berdekatan. Karya baru oleh kolaborasi antarabangsa, termasuk Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Laboratory of Astrophysics of Marseilles (LAM), dan Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), telah membuat kemajuan besar dalam memperluas hubungan ke lebih jauh dan struktur yang lebih kecil daripada yang mungkin sebelumnya.
Untuk mewujudkan hubungan antara pelepasan sinar-x dan bahan gelap yang mendasari, pasukan menggunakan salah satu sampel terbesar kumpulan sinar-x yang dipilih dan kumpulan galaksi, yang dihasilkan oleh balai cerap x-ray ESA, XMM-Newton.
Kumpulan dan kelompok galaksi dapat dijumpai dengan berkesan menggunakan pancaran sinar-x yang diperpanjang pada skala sub-arcminute. Sebagai hasil dari kawasan efektifnya yang besar, XMM-Newton adalah satu-satunya teleskop sinar-x yang dapat mengesan tahap pelepasan samar dari kumpulan dan kelompok galaksi yang jauh.
"Kemampuan XMM-Newton untuk menyediakan katalog besar kumpulan galaksi di ladang dalam sangat mengejutkan," kata Alexis Finoguenov dari MPE dan University of Maryland, pengarang bersama makalah Astrophysical Journal (ApJ) baru-baru ini yang melaporkan pasukan hasil.
Oleh kerana sinar-x adalah kaedah terbaik untuk mencari dan mencirikan kelompok, kebanyakan kajian susulan hingga kini terhad kepada kumpulan galaksi dan kumpulan galaksi yang berdekatan.
"Memandangkan katalog yang belum pernah terjadi sebelumnya yang disediakan oleh XMM-Newton, kami dapat memperluas ukuran jisim ke struktur yang jauh lebih kecil, yang ada jauh lebih awal dalam sejarah Alam Semesta," kata Alexie Leauthaud dari Bahagian Fizik Berkeley Lab, pengarang pertama kajian ApJ.
Lensa graviti berlaku kerana jisim melengkung ruang di sekelilingnya, membengkokkan jalur cahaya: semakin banyak jisim (dan semakin dekat dengan pusat jisim), semakin banyak ruang membongkok, dan semakin banyak imej objek jauh digeser dan memutarbelitkan. Oleh itu, mengukur distorsi, atau 'ricih', adalah kunci untuk mengukur jisim objek lensa.
Sekiranya lensa graviti lemah (seperti yang digunakan dalam kajian ini) ricih terlalu halus untuk dilihat secara langsung, tetapi penyimpangan tambahan yang samar dalam koleksi galaksi yang jauh dapat dihitung secara statistik, dan ricih rata-rata disebabkan oleh lensa beberapa objek di hadapan mereka dapat dikira. Walau bagaimanapun, untuk mengira jisim lensa dari ricih purata, seseorang perlu mengetahui pusatnya.
"Masalah dengan gugus pergeseran merah tinggi adalah sukar untuk menentukan dengan tepat galaksi mana yang berada di tengah kluster," kata Leauthaud. "Di sinilah sinar-x membantu. Luminositi sinar-x dari gugus galaksi dapat digunakan untuk mencari pusatnya dengan tepat. "
Dengan mengetahui pusat jisim dari analisis pelepasan sinar-x, Leauthaud dan rakan-rakannya kemudian dapat menggunakan lensa lemah untuk menganggarkan jumlah jisim kumpulan dan kelompok yang jauh dengan ketepatan yang lebih besar daripada sebelumnya.
Langkah terakhir adalah menentukan luminositi sinar-x dari setiap gugus galaksi dan memplotnya terhadap jisim yang ditentukan dari lensa lemah, dengan hubungan massa-luminositi yang dihasilkan untuk koleksi kumpulan dan kelompok baru yang melanjutkan kajian sebelumnya ke jisim yang lebih rendah dan lebih tinggi pertukaran merah. Dalam ketidakpastian yang dapat dikira, hubungan itu mengikuti cerun lurus yang sama dari kelompok galaksi yang berdekatan dengan yang jauh; faktor penskalaan konsisten yang sederhana mengaitkan jumlah jisim (baryonic plus dark) suatu kumpulan atau kelompok dengan kecerahan sinar-xnya, yang terakhir mengukur jisim baryonic sahaja.
"Dengan mengesahkan hubungan cahaya-terang dan memperluasnya ke pergeseran merah tinggi, kami telah mengambil langkah kecil ke arah yang tepat untuk menggunakan lensa lemah sebagai alat yang kuat untuk mengukur evolusi struktur," kata Jean-Paul Kneib, seorang pengarang bersama kertas ApJ dari LAM dan Pusat Nasional Penyelidikan Ilmiah Perancis (CNRS).
Asal galaksi dapat dikesan kembali ke sedikit perbezaan ketumpatan Alam Semesta yang panas dan awal; jejak perbezaan ini masih dapat dilihat sebagai perbezaan suhu minit di latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) - tempat panas dan sejuk.
"Variasi yang kita perhatikan di langit gelombang mikro kuno mewakili jejak yang berkembang dari masa ke masa menjadi perancah bahan gelap kosmik untuk galaksi yang kita lihat hari ini," kata George Smoot, pengarah Pusat Berkeley untuk Fizik Kosmologi (BCCP), seorang profesor fizik di University of California di Berkeley, dan ahli Bahagian Fizik Berkeley Lab. Smoot berkongsi Hadiah Nobel Fizik 2006 untuk mengukur anisotropi di CMB dan merupakan salah satu pengarang makalah ApJ. "Sangat menggembirakan bahawa kita benar-benar dapat mengukur dengan lensa gravitasi bagaimana materi gelap telah runtuh dan berkembang sejak awal."
Salah satu tujuan dalam mengkaji evolusi struktur adalah memahami bahan gelap itu sendiri, dan bagaimana ia berinteraksi dengan bahan biasa yang dapat kita lihat. Matlamat lain adalah untuk mempelajari lebih lanjut mengenai tenaga gelap, fenomena misteri yang memisahkan jirim dan menyebabkan Alam Semesta berkembang dengan cepat. Banyak persoalan yang masih belum dijawab: Adakah tenaga gelap tetap, atau adakah dinamik? Atau hanya ilusi yang disebabkan oleh batasan dalam Teori Relativiti Umum Einstein?
Alat-alat yang disediakan oleh hubungan massa-bercahaya akan banyak membantu menjawab soalan-soalan ini mengenai peranan graviti dan tenaga gelap yang bertentangan dalam membentuk Alam Semesta, sekarang dan masa depan.
Sumber: ESA, dan makalah yang diterbitkan dalam jurnal Astrophysical edisi 20 Januari 2010 (arXiv: 0910.5219 adalah prapetak)
