Det är en kosmisk ironi:de största sakerna i universum kan också vara de svåraste att hitta.

Elizabeth Blanton, en docent i astronomi vid Boston University, började jaga efter avlägsna galaxkluster för mer än 20 år sedan. Ett enda galaxkluster kan vara lika massivt som en kvadriljon solar, men fjärran kluster är så svaga att de är praktiskt taget osynliga för alla utom de största jordbundna teleskopen. Avlägsna kluster innehåller delar av berättelsen om hur universums webbliknande struktur först uppstod och kunde hjälpa till att belysa den mörka energins och mörka materiens sanna natur. Nu, hennes lags sökande ger sin största avkastning hittills:en katalog med cirka 200 galaxkluster av kandidater som, om bekräftat, kan innehålla några av de mest avlägsna kluster som någonsin hittats. De nya resultaten, som kommer att vara ett användbart verktyg för astronomer över hela världen, publicerades den 26 juli, 2017, upplagan av Astrofysisk tidskrift av ett team som inkluderar Rachel Paterno-Mahler (GRS'15), Doktorand Emmet Golden-Marx (GRS'16, '19), Gagandeep Anand (GRS'17), Joshua Wing (GRS'07, '13), och kollegor vid University of Missouri-Kansas City och Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Galaxhopen kan innehålla tusentals galaxer och många biljoner stjärnor - och det är precis vad astronomer kan se med vanliga teleskop. Het gas mellan galaxerna lyser med röntgenstrålar, och astronomer misstänker att mer än 85 procent av varje klungas massa är dold i form av mörk materia. Kartlagt i tre dimensioner, universum är en bana av ljusa trådar och mörka tomrum, med galaxkluster som upptar platserna där trådarna skär.

Invävda i denna kosmiska väv är ledtrådar till två stora kosmiska mysterier:mörk materia, de osynliga sakerna som genomsyrar galaxer och utrymmena mellan dem, och mörk energi, som driver universums accelererande expansion. Tillsammans, mörk materia och mörk energi utgör cirka 95 procent av vårt universum, forskare misstänker, men astrofysiker känner till mörk materia och mörk energis existens endast indirekt, genom deras inflytande på stjärnorna och galaxerna som lyser upp himlen.

Den nya cachen för avlägsna galaxklusterkandidater kan hjälpa forskare att fastställa egenskaperna hos mörk materia och mörk energi, säger Paterno-Mahler, första författaren på det nya papperet, en av en serie som kommer från Blantons team. "Galaxkluster är riktigt bra testbäddar för att lära sig om de kosmologiska parametrarna i vårt universum, som hur mycket mörk energi det finns och hur mycket mörk materia det finns. "

Genom att jämföra fjärran kluster med sina lokala motsvarigheter, forskare kan också sammanställa en tidtabell över hur galaxkluster bildades och växte. Det beror på att ljuset från de mest avlägsna klustren måste resa miljarder år innan de nådde jorden, så astronomer ser dessa kluster som för länge sedan. "Om vi ​​vill lära oss hur kluster - de mest massiva kollapsade strukturerna i universum - formas och utvecklas, vi måste studera dem över en rad avstånd, går hela vägen tillbaka, "säger medförfattaren Mark Brodwin, biträdande professor i fysik och astronomi vid University of Missouri-Kansas City. Och eftersom galaxkluster ger astronomer tillgång till ett stort urval av galaxer som är liknande i ålder, de tillhandahåller också ett laboratorium där man kan studera hur enskilda galaxer har förändrats över tid. "Du har ett gäng galaxer i samma epok, tillsammans i rymden, att jämföra med fler närliggande galaxer, säger Blanton.

Men ju längre ett galaxkluster är från jorden, desto svagare syns det. Traditionella optiska teleskop måste stirra på en enda plats på himlen länge för att samla tillräckligt med ljus för att avslöja ett avlägset kluster, och att undersöka hela himlen på detta sätt är tidsöverskridande. Så, för att skapa den nya katalogen, Blanton och hennes team sökte arkiverade data efter ledtrådar till var kluster kan vara, och följde sedan upp med riktade teleskopobservationer. Deras sökning, kallad COBRA (Clusters Occupied by Bent Radio AGN, eller aktiva galaktiska kärnor), fick stöd av bidrag från National Science Foundation och NASA.

Deras spår av ledtrådar börjar med det faktum att nästan varje stor galax har ett supermassivt svart hål i mitten. Dessa svarta hål är notoriskt stökiga ätare, och när de festar, en del av dammet och gasen som tränger inåt stänker ut i enorma, spiralstrålar. Dessa strålar kan sträcka galaxens bredd och bortom, och de producerar ett radiovågsbrus som astronomer kan hämta med radioteleskop på jorden. Om galaxen också råkar zooma genom het klustergas (eller om gasen zoomar förbi galaxen), strålarna böjer sig till en karakteristisk "C" -form - "som ditt hår blåser i vinden, "säger Blanton. Denna" C "-form är den första ledtråden till ett möjligt kluster.

Blantons team granskade befintliga himmelundersökningar och hittade nästan 2, 000 av dessa märkliga föremål. Sedan Wing, som en del av hans avhandlingsarbete, jämförde de misstänkta klustren med bilder med visuellt ljus från arkiven i Sloan Digital Sky Survey. De mest spännande kandidaterna, säger Blanton, är de för vilka Sloan -bilderna ser mörka ut, antyder att radiosignalen kan komma från ett kluster så avlägset att Sloan Survey -teleskopet inte alls kan se det.

Med möjligheterna minskade ytterligare, de använde sedan Spitzer -rymdteleskopet för att nollställa cirka 650 möjliga kluster, en och en. (Spitzer är mest känslig för infrarött ljus, strålning som inte kan ses av det mänskliga ögat men är idealisk för att observera avlägsna galaxer.) Med hjälp av en dator, de räknade upp antalet galaxer i varje Spitzer -ram och jämförde det med det typiska antalet galaxer i ett jämförbart område på himlen. Ett ovanligt högt antal galaxer - kallade en "överdensitet" - föreslår ett galaxkluster.

En överdensitet är inte ett definitivt bevis på ett galaxkluster, fastän. "Du ser en 2-D-bild av en 3D-fördelning av objekt, "förklarar Blanton." Några av dem kan vara långt i förgrunden, eller i bakgrunden. "Dessa" projiceringseffekter "kan skapa en illusion av ett kluster där det inte finns någon egentligen. Gruppens nästa steg, på gång nu, är att mäta avståndet till varje galax i det uppenbara klustret för att bekräfta att grupperingen är verklig, inte en optisk illusion.

Golden-Marx fäster redan avstånd till några av galaxerna med hjälp av 4,3 meter Discovery Channel Telescope, där BU är en partnerinstitution, och Blanton hoppas få tid på Hubble-rymdteleskopet och ett av de dubbla 10-meters Keck-teleskopen på Hawaii för att få ännu mer exakta mätningar. När avstånden är bekräftade, teamet kommer att kunna ordna kluster korrekt efter ålder och även bekräfta om deras katalog verkligen innehåller de mest avlägsna kluster som hittats.