Netikėtas fizikų atradimas: tarpspietinė šviesa suteikia naują tamsiosios materijos matavimo būdą

Pirmieji nauji, tikslūs ICL matavimai paskelbti 2019 metų balandį publikuotame The Astrophysical Journal straipsnyje. Kitas žinių pliūpsnis pasirodė ne taip seniai Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Nustebinti pastarajame aprašytais rezultatais, DES fizikai atrado naujų įrodymų, kad ICL gali būti panaudoti matuoti paslaptingą tamsiąją materiją.

Panašu, kad ICL skleidžia pabėgusios, gravitaciškai nesusietos su jokia galaktika žvaigždės. Seniai įtarta, kad ICL yra reikšmingas galaktikų spiečių komponentas, bet kadangi ši šviesa tokia blanki, kad ją išmatuoti sunku. Niekas nežino, kiek jos yra ar kokiu mastu ji paplitusi galaktikų spiečiuose.

„Stebėjimais patvirtinome, kas tarpspietinė šviesa gerai tinka sekti tamsiąją materiją Tai reiškia, kad ten, kur tarpspietinė šviesa santykinai ryški, tamsioji materija yra santykinai tanki,“ paaiškino abiems tyrimams vadovavusi Yuanyuan Zhang iš Fermilab. „Jaudina juo vien ICL išmatavimas. Tamsioji materija – malonus papildymas.“

Nors nematoma, tamsioji materija sudaro didžiąją dalį visatos materijos. Iš ko tamsioji materija sudaryta, tebelieka viena iš didžiausių modernios kosmologijos paslapčių. Mokslininkai težino, kad ji smarkiai skiriasi nuo įprastos, kasdien matomos, materijos, sudarytos iš protonų, neutronų ir elektronų.

Bet pagrindinis tyrėjų komandos taikinys buvo ne tamsioji materija, o ICL. Dauguma astrofizikų tarpspietinę šviesą matuoja galaktikų spiečių centre, kur ji ryškiausia ir jos yra daugiausiai.

„Mes pažvelgėme labai toli nuo galaktikų spiečių centro, ten, kur šviesa išties silpna,“ sakė Zhang. „Ir kuo toliau nuo centro žiūrėjome, tuo matuoti buvo sunkiau.“

Kaip bebūtų, DES bendradarbiams pavyko atlikti labiausiai radialiai išplitusios ICL matavimus.

Panaudodama silpną gravitacinį lęšiavimą, komanda palygino radialinį ICL pasiskirstymą — jos kitimą, tolstant nuo spiečiaus centro — su radialiniu galaktikų spiečiaus masės pasiskirstymu. Silpnas lęšiavimas yra tamsiosios materijos buvimui jautrus galaktikos ar spiečiaus masės matavimo metodas. Jis pasireiškia, kai priešakyje esančios žvaigždės ar spiečiaus gravitacija išlenkia nuo tolesnės galaktikos sklindančią šviesą ir pakeičia objektų formą.

Stebėjimai parodė, kad ICL atspindi tiek regimos galaktikų spiečiaus masės pasiskirstymą, tiek ir ir neregimos tamsiosios materijos.

„Nesitikėjome aptikti tokį tamprų ryšį tarp šių radialinių pasiskirstymų, bet aptikome,“ sakė naujojo straipsnio vyr. autorius Hillysson Sampaio-Santos.

Stebėjimų lyginimas su simuliacijomis

Siekdama įžvelgti daugiau, komanda ICL ir tamsiosios materijos santykių tyrimui pasitelkė kompiuterinę simuliaciją. Jie atrado, kad šių dviejų fenomenų simuliacijos radialiniai profiliai neatitinka stebėjimo duomenų. Simuliacijoje „ICL radialinis profilis nebuvo geriausias tamsiosios materijos sekimui tinkamas komponentas,“ sakė Sampaio-Santos, iš Nacionalinės observatorijos Rio de Žaneire, Brazilijoje.

Zhang pažymėjo, kad dar per anksti pasakyti tiksliai, kad sukėlė stebėjimų ir simuliacijos konfliktą.

„Jei simuliacija pavaizdavo neteisingai, tai gali reikšti, kad simuliuota tarpspietinė šviesa sukuriama šie tiek kitu laiku, nei stebėjimuose. Simuliuotos žvaizgždės neturėjo pakankamai laiko paklajoti ir pradėti aptikti tamsiąją materiją“, paaiškino ji.

Sampaio-Santos pažymėjo, kad tolesni ICL tyrimai galėtų suteikti įžvalgų apie galaktikų spiečių vidinę dinamiką, įskaitant ir sąveikas, kurių pasekmė yra gravitaciškai išsivadavusios žvaigždės, kurios gali laisvai klajoti.

„Planuoju tyrinėti tarpspietinę šviesą ir relaksacijos efektus,“ sakė jis. Pavyzdžiui, kai kurie spiečiai susijungia. Tokių susijungusių spiečių ICL charakteristikos turėtų skirtis nuo relaksuotų spiečių.

Triukšmingų duomenų gerinimas

Komandos išmatuota ICL yra maždaug nuo 100 iki 1000 kartų silpnesnė už tą, kurią įprastai matuoja DES mokslininkai. Tai reiškia, kad komandai teko darbuotis su labai triukšmingu ir užterštu signalu.

Techninis tokio užsiėmimas aspektas nebuvo paprastas, sakė Zhang, „bet kadangi turėjome nemažai duomenų iš DES, sugebėjome daug triukšmo panaikinti ir atlikti matavimus. Tai statistinis vidurkinimas.“

Astrofizikai įprastai matuoja, naudodami iš karto keletą galaktikų spiečių.

„Tai yra puikus būdas gauti informaciją apie individualias sistemas,“ pastebi Zhang.

Kad būtų didesnis vaizdas, o triukšmo liktų kuo mažiau, DES komanda pirmame tyrime statistiškai suvidurkino apie 300 galaktikų spiečių, o antrame – daugiau nei 500. Visi jie yra už poros gigašviesmečių nuo Žemės.

Norint iškrapštyti signalą iš kiekvieno spiečiaus triukšmo, reikia daug duomenų, o DES būtent tai ir sugeneravo. 2019 metų pradžioje DES užbaigė šešis metus trukusią šimtų milijonų tolimų galaktikų pietinio pusrutulio danguje stebėjimo misiją ir sausio viduryje paviešino antrąjį duomenų rinkinį.

ICL matavimais tiriami spiečiai, esantys iki 3,3 milijardų šviesmečių nuo Žemės/. Būsimose studijose Zhang norėtų ištirti ICL raudonojo poslinkio evoliuciją — jo kitimą kosminio laiko skalėje.

„Svajoju pasiekti raudonąjį poslinkį už 10 milijardų šviesmečių“, sakė Zhang. „Tyrimai rodo, kad būtent tada pradėjo vystytis ICL.“

Pažvelgę taip toli, mokslininkai galėtų išvysti ICL raidą.

„Bet tai išties sunku, trigubai toliau nei naujausio matavimo atstumas, tad signalas ten bus ekstremaliai silpnas,“ pasakė ji.

Fermi National Accelerator Laboratory
scitechdaily.com

Nuorodos:
„Is diffuse intracluster light a good tracer of the galaxy cluster matter distribution?“ by H Sampaio-Santos, Y Zhang, R L C Ogando, T Shin, Jesse B Golden-Marx, B Yanny, K Herner, M Hilton, A Choi, M Gatti, D Gruen, B Hoyle, M M Rau, J De Vicente, J Zuntz, T M C Abbott, M Aguena, S Allam, J Annis, S Avila, E Bertin, D Brooks, D L Burke, M Carrasco Kind, J Carretero, C Chang, M Costanzi, L N da Costa, H T Diehl, P Doel, S Everett, A E Evrard, B Flaugher, P Fosalba, J Frieman, J García-Bellido, E Gaztanaga, D W Gerdes, R A Gruendl, J Gschwend, G Gutierrez, S R Hinton, D L Hollowood, K Honscheid, D J James, M Jarvis, T Jeltema, K Kuehn, N Kuropatkin, O Lahav, M A G Maia, M March, J L Marshall, R Miquel, A Palmese, F Paz-Chinchón, A A Plazas, E Sanchez, B Santiago, V Scarpine, M Schubnell, M Smith, E Suchyta, G Tarle, D L Tucker, T N Varga, R H Wechsler, (DES Collaboration), 26 November 2020, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/staa3680
„Dark Energy Survey Year 1 Results: Detection of Intracluster Light at Redshift~ 0.25“ by Y. Zhang, B. Yanny, A. Palmese, D. Gruen, C. To, E. S. Rykoff, Y. Leung, C. Collins, M. Hilton, T. M. C. Abbott, J. Annis, S. Avila, E. Bertin, D. Brooks, D. L. Burke, A. Carnero Rosell, M. Carrasco Kind, J. Carretero, C. E. Cunha, C. B. D'Andrea, L. N. da Costa, J. De Vicente, S. Desai, H. T. Diehl, J. P. Dietrich, P. Doel, A. Drlica-Wagner, T. F. Eifler, A. E. Evrard, B. Flaugher, P. Fosalba, J. Frieman, J. García-Bellido, E. Gaztanaga, D. W. Gerdes, R. A. Gruendl, J. Gschwend, G. Gutierrez, W. G. Hartley, D. L. Hollowood, K. Honscheid, B. Hoyle, D. J. James, T. Jeltema, K. Kuehn, N. Kuropatkin, T. S. Li, M. Lima, M. A. G. Maia, M. March, J. L. Marshall, P. Melchior, F. Menanteau, C. J. Miller, R. Miquel, J. J. Mohr, R. L. C. Ogando, A. A. Plazas, A. K. Romer, E. Sanchez, V. Scarpine, M. Schubnell, S. Serrano, I. Sevilla-Noarbe, M. Smith, M. Soares-Santos, F. Sobreira, E. Suchyta, M. E. C. Swanson, G. Tarle, D. Thomas, W. Wester (DES Collaboration), 4 April 2019, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ab0dfd