Analysen av hur galaxhopar, de största objekten i universum, utvecklas över kosmisk tid har gett exakta mätningar av det totala materiainnehållet och dess klumpighet, rapporterar forskare från det tyska eROSITA-konsortiet, ledd av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics och med deltagande av universitetet i Bonn.
Resultaten bekräftar den vanliga kosmologiska modellen och lindrar den så kallade S8-spänningen, samtidigt som de ger insikter om de svårfångade neutrinernas massa. Analysen är baserad på en av de största katalogerna över galaxhopar och superkluster. En viktig pelare i analysen är "vägningen" av de upptäckta galaxhoparna, som universitetet i Bonn var en stor bidragsgivare till.
eROSITA är ett röntgenrymdteleskop ombord på Spectrum-RG-satelliten, uppskjutet i juli 2019. För två veckor sedan släppte det tyska eROSITA-konsortiet sina data från den första all-sky-undersökningen. Undersökningens primära mål är att bättre förstå kosmologi genom mätning av tillväxten över kosmisk tid av galaxkluster, några av de största strukturerna i universum.
Att spåra utvecklingen av kluster via röntgenstrålar som sänds ut av het gas som detekterats av eROSITA kombinerat med robusta massmätningar av dessa kluster genom svag gravitationslinser, exakta och exakta mätningar av både den totala mängden materia densitet i universum och dess klumpighet har blivit gjort. Medan tidigare klumpighetsmätningar med olika tekniker, särskilt den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) och den så kallade Cosmic Shear verkade inkonsekventa med varandra, visar eROSITA-mätningarna nu överensstämmelse med CMB.
"eROSITA har nu etablerat klusterutvecklingsmätning som ett verktyg för precisionskosmologi", säger Dr. Esra Bulbul (MPE), ledande forskare för eROSITAs kluster- och kosmologiteam som levererade de banbrytande resultaten. "De kosmologiska parametrarna som vi mäter från galaxhopar överensstämmer med toppmoderna CMB som visar att samma kosmologiska modell gäller från snart efter Big Bang till idag."
Enligt den vanliga kosmologiska modellen, kallad Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-modellen, var spädbarnsuniversum ett extremt varmt, tätt hav av fotoner och partiklar. Under loppet av kosmisk tid växte små densitetsvariationer till de stora galaxer och galaxhopar vi kan se idag. eROSITA-klusterobservationerna visar att materia av alla slag (synlig och mörk) utgör 29 % av universums totala massa/energibudget, i utmärkt överensstämmelse med de värden som erhållits från mätningar av CMB, som sänds ut när universum först blev transparent.
Förutom att mäta den totala materiedensiteten i universum har eROSITA även mätt klumpigheten i materiefördelningen, beskriven via den så kallade S8-parametern. En viktig utveckling inom kosmologi de senaste åren har varit den så kallade "S8-spänningen". Denna spänning uppstår eftersom CMB-experiment mäter ett högre S8-värde än t.ex. Cosmic Shear-undersökningar.
Ny fysik antyds om inte denna spänning kan lösas, och eROSITA har gjort just det. "eROSITA berättar för oss att universum uppförde sig som förväntat genom hela den kosmiska historien", säger Dr. Vittorio Ghirardini, postdoktorn vid MPE som ledde den kosmologiska studien som publicerades på arXiv förtrycksserver. "Det finns ingen spänning med CMB - kanske kosmologerna kan slappna av lite nu."
De största föremålen i universum bär också information om de minsta partiklarna:neutrinos. Dessa lätta partiklar är nästan omöjliga att upptäcka. Från överflödet av de största mörka materia-haloerna i universum har eROSITA-teamet fått snäva begränsningar för massan av de lättaste kända partiklarna. eROSITA-klusterresultaten ger den snävaste kombinerade neutrinomassmätningen hittills från någon observationell kosmologisk sond.
En viktig komponent i analysen är svaga gravitationslinsmätningar. Denna effekt beskriver koherenta förvrängningar som präglas av de observerade formerna av avlägsna galaxer när deras ljusstrålar passerar genom gravitationsfältet i förgrundsstrukturer. Medan Cosmic Shear-studier undersöker effekten i slumpmässiga riktningar, kan den också mätas i närheten av galaxhopar för att uppskatta deras massor.
eROSITA-teamet har genomfört sådana mätningar med data från tre aktuella undersökningar av svaga gravitationslinser, Dark Energy Survey (DES), Hyper Suprime Cam Survey (HSC) och Kilo-Degree Survey (KiDS). Dessa mätningar kalibrerar förhållandet mellan eROSITA-röntgensignalen och klustermassan, och möjliggör därmed jämförelse med kosmologiska modellförutsägelser.
"Jag är stolt över det svaga linsteamet som gjorde ett utmärkt jobb med att tillhandahålla analysen från alla tre ledande svaga linsundersökningarna för eROSITA-klustermasskalibreringen, som möjliggjorde dessa kosmologiska begränsningar; något som aldrig har uppnåtts tidigare", säger Prof. Dr Thomas Reiprich från Argelander Institute for Astronomy (AIfA) vid universitetet i Bonn, som ledde arbetspaketet för kalibrering av svag linsmassa inom eROSITA-kluster- och kosmologiteamet från 2019 till slutet av 2023.
Han är också medlem i det transdisciplinära forskningsområdet (TRA) "Matter" vid universitetet i Bonn. Analysen av "KiDS"-undersökningen med svag lins och även den detaljerade jämförelsen mellan alla tre undersökningarna presenteras idag i en tidning, även publicerad som ett förtryck på arXiv och leds av Florian Kleinebreil, Ph.D. student i gruppen av Prof. Dr. Tim Schrabback.
En stor del av detta arbete utfördes vid AIfA, tills båda flyttade till universitetet i Innsbruck hösten 2022. "Vi fann att de tre linsundersökningarna ger konsekventa massbegränsningar för eROSITA-klustren, vilket ger ett viktigt konsistenstest för det övergripande analys", förklarar Kleinebreil.
"Den slutförda analysen visar den enastående kosmologiska begränsningskraften som tillhandahålls av kombinerade analyser av toppmoderna galaxklusterprover och undersökningar av svaga linser. Spännande nog kommer detta område att utvecklas ytterligare under de kommande åren, också tack vare ankomsten av nästa- generations svaga linsprogram, inklusive det som genomfördes av ESA:s nya rymdteleskop Euclid", tillägger Schrabback.
Mer information: V. Ghirardini et al, SRG/eROSITA All-Sky Survey:Cosmology Constraints from Cluster Abundances in the Western Galactic Hemisphere, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.08458
Florian Kleinebreil et al, The SRG/eROSITA All-Sky Survey:Weak-Lensing of eRASS1 Galaxy Clusters in KiDS-1000 and Consistency Checks with DES Y3 &HSC-Y3, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.08456
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av University of Bonn
