Forskare har kanaliserat universums tidigaste ljus – en kvarleva från universums bildning känd som den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – för att lösa ett missing-materia-mysterium och lära sig nya saker om galaxbildning. Deras arbete kan också hjälpa oss att bättre förstå mörk energi och testa Einsteins allmänna relativitetsteori genom att tillhandahålla nya detaljer om den hastighet med vilken galaxer rör sig mot oss eller bort från oss.

Osynlig mörk materia och mörk energi står för cirka 95 % av universums totala massa och energi, och majoriteten av de 5 % som anses vara vanliga materia är också till stor del osynliga, såsom gaserna i utkanten av galaxer som utgör deras så kallade halos.

Det mesta av denna vanliga materia består av neutroner och protoner - partiklar som kallas baryoner som finns i kärnorna hos atomer som väte och helium. Endast cirka 10% av baryonmateria är i form av stjärnor, och det mesta av resten bebor utrymmet mellan galaxer i varma strängar, utspridd materia känd som det varma heta intergalaktiska mediet, eller WHIM.

Eftersom baryoner är så utspridda i rymden, det har varit svårt för forskare att få en tydlig bild av deras läge och täthet runt galaxer. På grund av denna ofullständiga bild av var vanlig materia finns, de flesta av universums baryoner kan betraktas som "saknade".

Nu, ett internationellt team av forskare, med viktiga bidrag från fysiker vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Cornell University, har kartlagt platsen för dessa saknade baryoner genom att tillhandahålla de bästa måtten, hittills, av deras läge och täthet runt grupper av galaxer.

Det visar sig att baryonerna trots allt är i galaxglorier, och att dessa glorier sträcker sig mycket längre än populära modeller hade förutspått. Medan de flesta av en enskild galaxs stjärnor vanligtvis finns inom ett område som är cirka 100, 000 ljusår från galaxens centrum, dessa mätningar visar att för en given grupp av galaxer, de mest avlägsna baryonerna kan sträcka sig cirka 6 miljoner ljusår från deras centrum.

Paradoxalt, denna saknade materia är ännu mer utmanande att kartlägga än mörk materia, som vi kan observera indirekt genom dess gravitationseffekter på normal materia. Mörk materia är det okända som utgör cirka 27 % av universum; och mörk energi, som driver isär materia i universum i en accelererande hastighet, utgör cirka 68% av universum.

"Bara några få procent av vanlig materia är i form av stjärnor. Det mesta är i form av gas som i allmänhet är för svag, för diffus för att kunna upptäcka, sa Emmanuel Schaan, Chamberlain postdoktor vid Berkeley Labs fysikavdelning och huvudförfattare till en av två artiklar om de försvunna baryonerna, publicerad 15 mars i tidskriften Fysisk granskning D .

Forskarna använde sig av en process känd som Sunyaev-Zel'dovich-effekten som förklarar hur CMB-elektroner får en ökning av energi via en spridningsprocess när de interagerar med heta gaser som omger galaxhopar.

"Det här är en fantastisk möjlighet att se bortom galaxpositioner och på galaxhastigheter, sa Simone Ferraro, en divisionsstipendiat vid Berkeley Labs fysikavdelning som deltog i båda studierna. "Våra mätningar innehåller mycket kosmologisk information om hur snabbt dessa galaxer rör sig. Det kommer att komplettera mätningar som andra observatorier gör, och göra dem ännu mer kraftfulla, " han sa.

Ett team av forskare vid Cornell University, består av forskningsassistent Stefania Amodeo, assisterande professor. Professor Nicholas Battaglia, och doktorand Emily Moser, ledde modelleringen och tolkningen av mätningarna, och utforskade deras konsekvenser för svag gravitationslinsning och galaxbildning.

Datoralgoritmerna som forskarna utvecklade borde visa sig användbara för att analysera "svag lins"-data från framtida experiment med hög precision. Linsfenomen uppstår när massiva objekt som galaxer och galaxhopar är grovt inriktade i en viss platslinje så att gravitationsförvrängningar faktiskt böjer och förvränger ljuset från det mer avlägsna objektet.

Svag linsning är en av de viktigaste teknikerna som forskare använder för att förstå universums ursprung och utveckling, inklusive studiet av mörk materia och mörk energi. Att lära sig platsen och fördelningen av baryonisk materia ger dessa data inom räckhåll.

"Dessa mätningar har djupgående konsekvenser för svag linsning, och vi förväntar oss att denna teknik kommer att vara mycket effektiv för att kalibrera framtida undersökningar med svaga linser, " sa Ferraro.

Schaan noterade, "Vi får också information som är relevant för galaxbildning."

I de senaste studierna, researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"Det är som en vattenstämpel på en sedel, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Den tjänar till att lysa upp gasen bakifrån, så vi kan se skuggan när CMB-ljuset färdas genom den gasen."

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.