Den längsta galax som någonsin observerats är så långt bort att stjärnljuset vi nu upptäcker sändes mindre än 500 m år efter Big Bang. Det har tagit cirka 13 miljarder år att nå oss. Men det finns många saker om en galax som vi inte kan se. Till exempel, vi tror att galaxer är nedsänkta i gigantiska "glorier" av en osynlig substans som kallas mörk materia. Forskare vet faktiskt inte vad mörk materia är, men de vet att det existerar för att det har ett gravitationstryck på omgivande materia.

Nu vår nya forskning, publicerad i Natur Astronomi , presenterar ett sätt på vilket vi kan lära oss hur galaxer har utvecklats inom detta konstiga, mörk materia under större delen av kosmisk tid.

Att vi kan se ljus som sändes ut för 13 miljarder år sedan kan låta fantastiskt. Men vi kan faktiskt se ljus som avges ännu tidigare - innan galaxer bildades. Under några hundra årtusenden efter bildandet, universum var en het röra av ljuspartiklar (fotoner), elektriskt laddade protoner och elektroner (plasma), liksom mörk materia. Fotonerna var fångade bland plasma:kontinuerligt "spridda" i slumpmässiga riktningar genom nästan konstanta interaktioner med de fria elektronerna.

Som att försöka ta sig igenom en trångt, livliga rum, den genomsnittliga banlängden för varje foton var mycket kort innan dess nästa interaktion. Detta gjorde universum ogenomskinligt - om du försökte titta igenom detta medium skulle det vara som att titta in i en dimma.

Men 380, 000 år efter Big Bang, universum hade expanderat och svalnat till en punkt då de fria elektronerna kunde binda med protonerna för att bilda väteatomer. Spridningen upphörde snabbt, så att fotonerna kan strömma fritt över universum utan några fria elektroner i vägen.

Eftersom denna övergång skedde överallt i universum ganska snabbt, ur vår synvinkel är det som om alla dessa fotoner plötsligt släpptes från insidan av ett stort skal som innehåller den ogenomskinliga soppan av partiklar och mörk materia. Effektivt, detta "skal" är det längsta "föremålet" som vi kan se, på ett avstånd av 45 miljarder ljusår. Forskare kallar det ytan för den sista spridningen.

Reser genom kosmos, dessa fotoner förlorar energi när universum fortsätter att expandera, sträcker sina våglängder. Och vi kan upptäcka dem i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, som är den strålning som finns kvar från universums födelse.

En kosmisk bakgrundsbelysning

Vi har studerat CMB i decennier nu:mycket information om egenskaperna hos det tidiga universum är kodade i dess ljus. Men nyligen har det varit möjligt att extrahera ännu mer information från den genom att utnyttja det faktum att varje foton i denna strålning har behövt resa genom ett universum som är fyllt med materia.

Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver gravitationen som en förvrängning av rymdtid på grund av närvaron av ett föremål med massa. Denna förvrängning kan avleda fotons banor som passerar objektet - ett fenomen som kallas gravitationslinser. Så genom att titta på hur ljus från någon bakgrundskälla (som en galax) avböjs på grund av ett objekt framför det, vi kan räkna ut egenskaper för det förgrundsobjektet.

Ytan på den sista spridningen fungerar som ett kosmiskt bakgrundsljus, lyser igenom Allt saken i universum. Som ett resultat, fotonerna i CMB är gravitationellt linsade av det mellanliggande ämnet mellan ytan och oss. Vår syn på CMB är som vår syn på ett avlägset landskap sett genom en fönsterruta fylld med subtila brister.

Anmärkningsvärt, vi kan nu kartlägga dessa brister över himlen, att ge oss ett sätt att "se" gravitationstrycket av hela massan i det observerbara universum. Detta ger oss ett nytt sätt att studera galaxer. Till exempel, vi kan mäta mängden CMB -linser i olika riktningar och väga kosmiska strukturer helt enkelt genom att titta på hur mycket de har avböjt CMB -ljuset. Detta är vad vi just har gjort för de mest massiva objekten i universum:galaxgrupper.

Ett nytt sätt att väga

Galaxgrupper innehåller inte bara galaxer:utrymmet mellan galaxerna är fyllt med en het plasma, och galaxerna och gasen är nedsänkta i mörk materia. Lägg till allt och den totala massan överstiger hundra tusen miljarder solar, skapa stora dalar i rymdtid.

Forskare har länge letat efter en pålitlig metod för att översätta antalet galaxer i kluster till den totala massan av mörk materia, gas och stjärnor. Vi kan använda nya objektivkartor över CMB för just detta ändamål. Linseringskartorna konstrueras genom att undersöka kartor över temperaturfluktuationerna i CMB. I regioner där CMB -fotoner har starkt avböjts, en subtil signatur är präglad i temperaturfördelningen. Noggrant filtrering av temperaturkartan avslöjar linsmönstret över himlen.

Genom att mäta den genomsnittliga avböjningen av CMB -fotoner runt kluster, vi har visat hur mängden avböjning - och därför total massa närvarande, inklusive mörk materia - beror på antalet galaxer i klustret. I själva verket, vi ser avtryck i rymdtid av de massiva halor av mörk materia.

Med gravitationslinser för att avslöja snedvridningar i rymdtid kring galaxer och kluster, och därför lära sig något om deras massfördelning, är inte nytt. Men de flesta tidigare studier involverar linsering av ljuset som kommer från Övrig bakgrundsgalaxer, snarare än CMB.

Att använda CMB som ljuskälla erbjuder enorma fördelar. När ytan på den sista spridningen lyser Allt föremål framför den, vi kan undersöka förhållandet mellan lysande galaxer och de mörka materiestrukturer som de bebor längre tillbaka i kosmisk historia än vad som hittills varit möjligt.

Inte bara har strukturer i mörk materia ständigt utvecklats genom gravitationen, vi vet att galaxernas egenskaper-såsom deras massa och stjärnbildningshastigheter-är starkt beroende av deras storskaliga miljö. Vi förstår fortfarande inte helt den länken, men CMB -objektiv kan i slutändan hjälpa oss att knäcka hur det händer.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.