Kerapatan galaksi di bidang Cosmic Evolution Survey (COSMOS), dengan warna yang mewakili pergeseran merah galaksi, mulai dari pergeseran merah 0,2 (biru) hingga 1 (merah). Kontur sinar-X merah muda menunjukkan emisi sinar-X yang diperluas sebagaimana diamati oleh XMM-Newton.
Materi gelap (sebenarnya dingin, gelap - non-baryonic - materi) hanya dapat dideteksi oleh pengaruh gravitasinya. Dalam kelompok dan kelompok galaksi, pengaruh itu muncul sebagai pelensaan gravitasi yang lemah, yang sulit dipecahkan. Salah satu cara untuk secara lebih akurat memperkirakan tingkat pelensaan gravitasi - dan juga distribusi materi gelap - adalah dengan menggunakan emisi sinar-x dari plasma intra-cluster panas untuk menemukan pusat massa.
Dan itulah yang baru-baru ini dilakukan oleh tim astronom ... dan mereka, untuk pertama kalinya, memberi kami pegangan tentang bagaimana materi gelap telah berevolusi selama beberapa miliar tahun terakhir.
COSMOS adalah survei astronomi yang dirancang untuk menyelidiki pembentukan dan evolusi galaksi sebagai fungsi waktu kosmik (pergeseran merah) dan lingkungan struktur skala besar. Survei mencakup bidang ekuatorial 2 derajat persegi dengan pencitraan oleh sebagian besar teleskop berbasis ruang utama (termasuk Hubble dan XMM-Newton) dan sejumlah teleskop berbasis darat.
Memahami sifat materi gelap adalah salah satu pertanyaan terbuka utama dalam kosmologi modern. Dalam salah satu pendekatan yang digunakan untuk menjawab pertanyaan ini, para astronom menggunakan hubungan antara massa dan luminositas yang telah ditemukan untuk kluster galaksi yang menghubungkan emisi x-ray mereka, sebuah indikasi massa dari materi biasa ("baryonic") saja ( tentu saja, materi baryonic termasuk elektron, yang merupakan lepton!), dan massa totalnya (baryonic plus dark matter) sebagaimana ditentukan oleh pelensaan gravitasi.
Sampai saat ini, hubungan tersebut hanya dibangun untuk kluster terdekat. Karya baru oleh kolaborasi internasional, termasuk Institut Max Planck untuk Fisika Extraterrestrial (MPE), Laboratorium Astrofisika Marseilles (LAM), dan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Laboratorium Berkeley), telah membuat kemajuan besar dalam memperluas hubungan menjadi lebih jauh dan struktur yang lebih kecil dari sebelumnya mungkin.
Untuk membangun hubungan antara emisi x-ray dan materi gelap yang mendasarinya, tim menggunakan salah satu sampel terbesar dari kelompok-kelompok yang dipilih x-ray dan kelompok galaksi, yang diproduksi oleh observatorium x-ray ESA, XMM-Newton.
Kelompok dan kelompok galaksi dapat ditemukan secara efektif menggunakan emisi x-ray yang diperluas pada skala sub-arcminute. Sebagai hasil dari area efektifnya yang luas, XMM-Newton adalah satu-satunya teleskop x-ray yang dapat mendeteksi tingkat emisi samar dari kelompok yang jauh dan kelompok galaksi.
"Kemampuan XMM-Newton untuk menyediakan katalog besar kelompok galaksi di bidang-bidang yang menakjubkan," kata Alexis Finoguenov dari MPE dan University of Maryland, rekan penulis makalah Astrophysical Journal (ApJ) baru-baru ini yang melaporkan tim tersebut hasil.
Karena x-rays adalah cara terbaik untuk menemukan dan mengkarakterisasi cluster, sebagian besar studi tindak lanjut hingga saat ini terbatas pada kelompok dan kluster galaksi yang relatif berdekatan.
"Mengingat katalog yang belum pernah ada sebelumnya yang disediakan oleh XMM-Newton, kami telah dapat memperluas pengukuran massa ke struktur yang jauh lebih kecil, yang ada jauh lebih awal dalam sejarah Semesta," kata Alexie Leauthaud dari Divisi Fisika Berkeley Lab, penulis pertama dari studi APJ.
Pelensaan gravitasi terjadi karena massa melengkungkan ruang di sekitarnya, menekuk jalur cahaya: semakin banyak massa (dan semakin dekat pusat massa), semakin banyak lengkungan ruang, dan semakin banyak gambar benda yang jauh dipindahkan dan terdistorsi. Dengan demikian mengukur distorsi, atau 'geser', adalah kunci untuk mengukur massa objek lensa.
Dalam kasus pelensaan gravitasi yang lemah (seperti yang digunakan dalam penelitian ini) geser terlalu halus untuk dilihat secara langsung, tetapi distorsi tambahan samar dalam kumpulan galaksi jauh dapat dihitung secara statistik, dan rata-rata geser akibat pelensaan beberapa masif objek di depan mereka dapat dihitung. Namun, untuk menghitung massa lensa dari geser rata-rata, orang perlu tahu pusatnya.
"Masalah dengan cluster pergeseran merah tinggi adalah sulit untuk menentukan dengan tepat galaksi mana yang terletak di pusat cluster," kata Leauthaud. “Di situlah sinar-X membantu. Luminositas x-ray dari kluster galaksi dapat digunakan untuk menemukan pusatnya dengan sangat akurat. ”
Mengetahui pusat massa dari analisis emisi x-ray, Leauthaud dan rekannya kemudian dapat menggunakan pelensaan lemah untuk memperkirakan massa total kelompok dan kluster yang jauh dengan akurasi yang lebih besar daripada sebelumnya.
Langkah terakhir adalah menentukan luminositas sinar-X dari masing-masing gugus galaksi dan memplotnya terhadap massa yang ditentukan dari pelensaan yang lemah, dengan hubungan luminositas massa yang dihasilkan untuk kumpulan kelompok dan gugus baru yang memperluas studi sebelumnya ke massa yang lebih rendah dan lebih tinggi pergeseran merah. Dalam ketidakpastian yang dapat dihitung, relasinya mengikuti kemiringan lurus yang sama dari kluster galaksi terdekat ke kluster yang jauh; faktor penskalaan konsisten sederhana menghubungkan total massa (baryonic plus dark) dari suatu kelompok atau kluster dengan kecerahan x-ray, yang terakhir mengukur massa baryonik saja.
"Dengan mengkonfirmasi hubungan massa-luminositas dan memperluasnya ke pergeseran merah yang tinggi, kami telah mengambil langkah kecil ke arah yang benar menuju penggunaan pelensaan lemah sebagai alat yang ampuh untuk mengukur evolusi struktur," kata Jean-Paul Kneib, co-penulis makalah ApJ dari LAM dan Pusat Nasional Perancis untuk Penelitian Ilmiah (CNRS).
Asal usul galaksi dapat ditelusuri kembali ke sedikit perbedaan dalam kepadatan alam semesta awal yang panas; jejak perbedaan ini masih dapat dilihat sebagai perbedaan suhu menit dalam latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) - titik panas dan dingin.
"Variasi yang kami amati di langit gelombang mikro kuno mewakili jejak yang berkembang dari waktu ke waktu menjadi perancah materi gelap kosmik untuk galaksi yang kita lihat hari ini," kata George Smoot, direktur Pusat Berkeley untuk Kosmologi Fisika (BCCP), seorang profesor fisika di Universitas California di Berkeley, dan anggota Divisi Fisika Berkeley Lab. Smoot membagikan Hadiah Nobel 2006 dalam Fisika untuk mengukur anisotropi di CMB dan merupakan salah satu penulis makalah ApJ. "Sangat menarik bahwa kita dapat benar-benar mengukur dengan lensa gravitasi bagaimana materi gelap telah runtuh dan berevolusi sejak awal."
Salah satu tujuan dalam mempelajari evolusi struktur adalah untuk memahami materi gelap itu sendiri, dan bagaimana ia berinteraksi dengan materi biasa yang dapat kita lihat. Tujuan lain adalah untuk belajar lebih banyak tentang energi gelap, fenomena misterius yang mendorong materi terpisah dan menyebabkan Semesta mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat. Banyak pertanyaan yang masih belum terjawab: Apakah energi gelap konstan, atau dinamis? Atau itu hanya ilusi yang disebabkan oleh keterbatasan dalam Teori Relativitas Umum Einstein?
Alat-alat yang disediakan oleh hubungan luminositas massa yang diperluas akan melakukan banyak hal untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini tentang peran yang berlawanan dari gravitasi dan energi gelap dalam membentuk Semesta, sekarang dan di masa depan.
Sumber: ESA, dan sebuah makalah yang diterbitkan dalam edisi 20 Januari 2010 dari Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 adalah pracetak)
