En kombination av observationsdata och sofistikerade datorsimuleringar har gett framsteg inom ett område av astrofysik som har försvagat i ett halvt sekel. Dark Energy Survey, som är värd för det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory, har publicerat en rad nya resultat om vad som kallas intraklusterljus, eller ICL, en svag typ av ljus som finns inuti galaxhopar.

Den första skuren av nya, precisions ICL-mätningar dök upp i en tidning publicerad i The Astrophysical Journal i april 2019. En annan dök upp mer nyligen i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Som ett överraskande fynd av det senare, DES-fysiker upptäckte nya bevis för att ICL kan ge ett nytt sätt att mäta en mystisk substans som kallas mörk materia.

Källan till ICL verkar vara oseriösa stjärnor, de som inte gravitationsmässigt är bundna till någon galax. ICL har länge misstänkts för att möjligen vara en betydande komponent i kluster av galaxer, men dess svaghet gör det svårt att mäta. Ingen vet hur mycket det finns eller i vilken utsträckning det har spridits genom galaxhopar.

"Observationsmässigt upptäckte vi att intraklusterljus är ett ganska bra radiellt spår av mörk materia. Det betyder att där intraclusterljus är relativt starkt, den mörka materian är relativt tät, " sa Fermilab-forskaren Yuanyuan Zhang, som ledde båda studierna. "Bara att mäta själva ICL är ganska spännande. Den mörka materiens del är en överlägsen upptäckt. Det är inte vad vi förväntade oss."

Även om det är osynligt, mörk materia står för det mesta i universum. Vad mörk materia består av står som ett av den moderna kosmologins stora mysterier. Forskare vet bara att det skiljer sig mycket från den normala materia som består av protoner, neutroner och elektroner som dominerar vardagen.

Men ICL, inte mörk materia, stod till en början på forskargruppens agenda. De flesta astrofysiker mäter intraklusterljus i mitten av en galaxhop, där det är ljusast och rikligast.

"Vi gick väldigt långt bort från galaxhoparnas centrum, där ljuset verkligen är svagt, " sa Zhang. "Och ju längre bort från centrum vi gick, desto svårare blev mätningen."

Ändå, DES-medarbetarna lyckades komma undan med den mest radiellt utökade mätningen av ICL någonsin.

Teamet använde svag gravitationslins för att jämföra den radiella fördelningen av ICL - hur den förändras över avståndet från mitten av ett kluster - med den radiella fördelningen av massan av en galaxhop. Svag linsering är en mörk-materia-känslig metod för att mäta massan av en galax eller ett kluster. Det inträffar när gravitationen hos en förgrundsstjärna eller en klunga böjer ljuset från en mer avlägsen galax, förvränger dess skenbara form.

Det visade sig observationsmässigt att ICL återspeglar fördelningen av både den totala synliga massan av en galaxhop och, eventuellt, fördelningen av den osynliga mörka materian.

"Vi förväntade oss inte att hitta en så tät koppling mellan dessa radiella fördelningar, men det gjorde vi, " sa vetenskapsmannen Hillysson Sampaio-Santos, huvudförfattaren till den nya tidningen.

Jämföra observationer med simuleringar

För att få mer insikt, teamet använde en sofistikerad datorsimulering för att studera förhållandet mellan ICL och mörk materia. De fann att de radiella profilerna mellan de två fenomenen i simuleringen inte överensstämde med observationsdata. I simuleringen, "ICL radiella profil var inte den bästa komponenten för att spåra mörk materia, sa Sampaio-Santos, som är med National Observatory i Rio de Janeiro, Brasilien.

Zhang noterade att det är för tidigt att säga exakt vad som orsakade konflikten mellan observation och simulering.

"Om simuleringen inte fick det rätt, det kan betyda att det simulerade intraklusterljuset produceras vid en något annan tidpunkt än vid observationer. De simulerade stjärnorna hade inte tillräckligt med tid att vandra runt och börja spåra mörk materia, " Hon sa.

Sampaio-Santos noterade att ytterligare ICL-studier kan ge insikter om dynamiken som sker inuti galaxhopar, inklusive interaktioner som gravitationsmässigt frigör några av sina stjärnor, låta dem vandra runt.

"Jag planerar att studera intraklusterljuset och effekterna av avslappning, "eller sprider sig, han sa. Till exempel, några kluster har slagits samman. Dessa sammanslagna kluster bör ha olika egenskaper hos ICL jämfört med kluster som är avslappnade.

Förbättra signaler i bullriga datamängder

Den ICL som teamet mätte är ungefär hundra till tusen gånger svagare än vad DES-forskare normalt försöker. Det betyder att teamet var tvunget att hantera mycket brus och föroreningar i signalen.

Den tekniska aspekten av bedriften var utmanande, Zhang sa, "men eftersom vi hade en hel del data från Dark Energy Survey, vi kunde ta bort mycket brus för att göra den här typen av mätning. Det är ett statistiskt genomsnitt."

Astrofysiker gör vanligtvis ICL-mätningar med en handfull galaxhopar åt gången.

"Det är ett bra sätt att få information om de enskilda systemen, " sa Zhang.

För att få en större bild och för att slå ner bruset, DES-teamet hade ett statistiskt medelvärde på cirka 300 galaxhopar i den första studien och mer än 500 hopar i den andra. Alla är ett par miljarder ljusår från jorden.

Att reta signalen från bruset från varje kluster kräver mycket data, vilket är exakt vad DES har genererat. I början av 2019, DES avslutade sitt sexåriga uppdrag att observera hundratals miljoner avlägsna galaxer på den södra himlen och publicerade offentligt sitt andra datasläpp i mitten av januari.

ICL-mätningarna undersöker kluster som är upp till 3,3 miljarder ljusår från jorden. I framtida studier, Zhang skulle vilja studera rödförskjutningen av ICL – hur den förändras med kosmisk tid.

"Min dröm är att gå hela vägen för att rödskifta en — 10 miljarder ljusår, ", sa Zhang. "Studier säger att det är då ICL precis har börjat utvecklas."

Att gå så långt skulle göra det möjligt för forskare att se ICL byggas över tid.

"Men det är verkligen svårt eftersom det är tre gånger så långt som avståndet för våra senaste mätningar, så allt kommer att bli extremt svagt där, " Hon sa.