En metod för att väga mängderna materia i galaxhopar – de största objekten i vårt universum – har visat en balans mellan mängderna het gas, stjärnor och annat material.

Resultaten är de första som använder observationsdata för att mäta denna balans, som teoretiserades för 20 år sedan, och kommer att ge ny insikt om förhållandet mellan vanlig materia som avger ljus och mörk materia, och om hur vårt universum expanderar.

Galaxkluster är de största objekten i universum, var och en består av cirka 1, 000 massiva galaxer. De innehåller stora mängder mörk materia, tillsammans med het gas och kallare "vanlig materia, " som stjärnor och kallare gas.

I en ny studie, publiceras i Naturkommunikation , ett internationellt team ledd av astrofysiker från University of Michigan i USA och University of Birmingham i Storbritannien använde data från Local Cluster Substructure Survey (LoCuSS) för att mäta sambanden mellan de tre huvudmasskomponenterna som utgör galaxhopar – mörk materia , varm gas, och stjärnor.

Medlemmar av forskargruppen hade ägnat 12 år åt att samla in data, som spänner över en faktor på 10 miljoner i våglängd, med hjälp av Chandra- och XMM-Newton-satelliterna, ROSAT All-sky-undersökningen, Subaru teleskop, Storbritanniens infraröda teleskop (UKIRT), Mayall teleskop, Sunyaev Zeldovich Array, och Planck-satelliten. Med hjälp av sofistikerade statistiska modeller och algoritmer som byggdes av Dr. Arya Farahi under hans doktorandstudier vid University of Michigan kunde teamet dra slutsatsen att summan av gas och stjärnor över de kluster som de studerade är en nästan fast bråkdel av den mörka materiens massa . Detta betyder att när stjärnor bildas, mängden tillgänglig het gas kommer att minska proportionellt

"Detta validerar förutsägelserna av den rådande teorin om kall mörk materia. Allt stämmer överens med vår nuvarande förståelse av universum, sade Dr Farahi, för närvarande en McWilliams postdoktor vid institutionen för fysik vid Carnegie Mellon University.

Dr. Graham Smith från School of Physics and Astronomy vid University of Birmingham och huvudforskare för LoCuSS, säger:"En viss mängd material i universum kollapsar för att bilda galaxhopar.

"Men när de väl har bildats, dessa kluster är "slutna lådor." Den heta gasen har antingen bildat stjärnor, eller fortfarande finns kvar som gas, men den totala kvantiteten förblir konstant."

"Denna forskning drivs av mer än ett decennium av teleskopinvesteringar, " tillägger professor August E. Evrard, från University of Michigan. "Med hjälp av denna högkvalitativa data, vi kunde karakterisera 41 närliggande galaxhopar och hitta en speciell relation, specifikt anti-korrelerat beteende mellan massan i stjärnor och massan i het gas. Detta är viktigt eftersom dessa två mätningar tillsammans ger oss den bästa indikationen på den totala systemmassan."

Fynden kommer att vara avgörande för astronomers ansträngningar att mäta egenskaperna hos universum som helhet. Genom att få en bättre förståelse av galaxhoparnas interna fysik, forskare kommer att bättre kunna förstå beteendet hos mörk energi och processerna bakom universums expansion.

"Galaxhopar är i sig fascinerande, men på många sätt fortfarande mystiska föremål, ", tillägger Dr. Smith. "Att ta bort den komplexa astrofysiken som styr dessa objekt kommer att öppna många dörrar till en bredare förståelse av universum. Väsentligen, om vi vill kunna hävda att vi förstår hur universum fungerar, vi måste förstå galaxhopar."

Data av det slag som studerats av teamet kommer att växa med flera storleksordningar under de kommande decennierna tack vare nästa generations teleskop som Large Synoptic Survey Telescope (LSST) som för närvarande är under uppbyggnad i Chile, och e-ROSITA, en ny röntgensatellit. Båda kommer att påbörja observationer i början av 2020-talet.

"Dessa mätningar lägger en grund för exakt vetenskap med kluster av galaxer, " säger professor Alexis Finoguenov, en medlem av teamet vid Helsingfors universitet.