Astronomer har i årtionden antagit att universum expanderar i samma takt i alla riktningar. En ny studie baserad på data från ESA:s XMM-Newton, NASA:s Chandra och de tyskledda ROSAT röntgenobservatorierna antyder att denna nyckelpremiss för kosmologi kan vara fel.

Konstantinos Migkas, en Ph.D. forskare i astronomi och astrofysik vid universitetet i Bonn, Tyskland, och hans handledare Thomas Reiprich satte sig ursprungligen för att verifiera en ny metod som skulle göra det möjligt för astronomer att testa den så kallade isotropihypotesen. Enligt detta antagande, universum har, trots vissa lokala skillnader, samma egenskaper i varje riktning i stor skala.

Allmänt accepterad som en konsekvens av väletablerad fundamental fysik, hypotesen har stötts av observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). En direkt rest av Big Bang, CMB återspeglar universums tillstånd som det var i sin linda, vid endast 380 000 år gammal. CMB:s enhetliga fördelning på himlen tyder på att universum under dessa tidiga dagar måste ha expanderat snabbt och i samma takt i alla riktningar.

I dagens universum, dock, detta kanske inte längre är sant.

"Tillsammans med kollegor från University of Bonn och Harvard University, vi tittade på beteendet hos över 800 galaxhopar i det nuvarande universum, " säger Konstantinos. "Om isotropihypotesen var korrekt, klustrarnas egenskaper skulle vara enhetliga över himlen. Men vi såg faktiskt betydande skillnader."

Astronomerna använde röntgentemperaturmätningar av den extremt heta gasen som genomsyrar klustren och jämförde data med hur ljusa klustren ser ut på himlen. Kluster med samma temperatur och placerade på liknande avstånd bör se lika ljusa ut. Men det var inte vad astronomerna observerade.

"Vi såg att kluster med samma egenskaper, med liknande temperaturer, verkade vara mindre ljus än vad vi skulle förvänta oss i en riktning på himlen, och ljusare än väntat i en annan riktning, " säger Thomas. "Skillnaden var ganska betydande, runt 30 procent. Dessa skillnader är inte slumpmässiga utan har ett tydligt mönster beroende på i vilken riktning vi observerade på himlen."

Innan jag utmanar den allmänt accepterade kosmologimodellen, som ger grunden för att uppskatta klusteravstånden, Konstantinos och kollegor tittade först på andra möjliga förklaringar. Kanske, det kan finnas oupptäckta gas- eller dammmoln som skymmer sikten och får kluster i ett visst område att se mörkare ut. Uppgifterna, dock, stöder inte detta scenario.

I vissa områden i rymden kan fördelningen av kluster påverkas av bulkflöden, storskaliga rörelser av materia orsakade av gravitationskraften från extremt massiva strukturer som stora klustergrupper. Denna hypotes, dock, verkar också osannolikt. Konstantinos tillägger att fynden överraskade teamet.

"Om universum verkligen är anisotropt, även om bara under de senaste miljarderna åren, det skulle innebära ett enormt paradigmskifte eftersom varje objekts riktning måste tas med i beräkningen när vi analyserar deras egenskaper, " säger han. "T.ex. i dag, vi uppskattar avståndet för mycket avlägsna objekt i universum genom att tillämpa en uppsättning kosmologiska parametrar och ekvationer. Vi tror att dessa parametrar är desamma överallt. Men om våra slutsatser är rätt skulle det inte vara fallet och vi skulle behöva se över alla våra tidigare slutsatser."

"Detta är ett oerhört fascinerande resultat, " kommenterar Norbert Schartel, XMM-Newton-projektforskare vid ESA. "Tidigare studier har föreslagit att det nuvarande universum kanske inte expanderar jämnt i alla riktningar, men detta resultat - första gången ett sådant test har utförts med galaxhopar i röntgenstrålar - har en mycket större betydelse, och avslöjar också en stor potential för framtida utredningar."

Forskarna spekulerar att denna möjligen ojämna effekt på kosmisk expansion kan orsakas av mörk energi, den mystiska komponenten i kosmos som står för majoriteten – runt 69 % – av dess totala energi. Mycket lite är känt om mörk energi idag, förutom att det verkar ha accelererat universums expansion under de senaste miljarderna åren.

ESA:s kommande teleskop Euclid, designad för att avbilda miljarder galaxer och granska utvidgningen av kosmos, dess acceleration och karaktären av mörk energi, kan hjälpa till att lösa detta mysterium i framtiden.

"Fynden är verkligen intressanta men urvalet som ingår i studien är fortfarande relativt litet för att dra så djupa slutsatser, säger René Laureijs, Euklids projektforskare vid ESA. "Detta är det bästa man kan göra med tillgängliga data, men om vi verkligen skulle ompröva den allmänt accepterade kosmologiska modellen, vi skulle behöva mer data."

Och Euklid kanske gör precis det. Rymdfarkosten, som ska lanseras 2022, kanske inte bara hittar bevis för att mörk energi verkligen sträcker universum ojämnt i olika riktningar, det kommer också att göra det möjligt för forskarna att samla in mer data om egenskaperna hos en stor mängd galaxhopar, vilket kan stödja eller motbevisa de aktuella resultaten.

Ytterligare data kommer också snart från röntgeninstrumentet eROSITA, byggd av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Instrumentet, ombord på den nyligen uppskjutna tysk-ryska satelliten Spektr-RG, kommer att genomföra den första all-sky-undersökningen i medelenergiröntgenstrålar, med fokus på upptäckten av tiotusentals tidigare okända galaxhopar och aktiva galaktiska centra.

Resultaten publiceras i tidskriften Astronomi &Astrofysik