Новый анализ эволюции скоплений галактик в исследовании космических рентгеновских источников eROSITA может пролить свет на долгое время существовавшую загадку неоднородности материи в нашей Вселенной. Кроме того, эти результаты могут помочь разгадать и другие тайны космоса.
В ходе первой фазы обзора всего неба при помощи прибора eROSITA, завершившейся в феврале 2022 года, были получены точные измерения общего количества материи во Вселенной и её однородности. Эти данные способны пролить свет на несоответствие между прогнозами стандартной космологической модели и наблюдениями космического микроволнового фона (CMB), который возник сразу после Большого взрыва. Отношение учёных к уровню неоднородности материи во Вселенной до сих пор остаётся неоднозначным.
Проблема, известная как «напряжение S8», связанная с напряжением Хаббла, является одним из ключевых исследований Вселенной. Параметр S8 используется для количественной оценки амплитуды колебаний материи на значительных пространственных масштабах. Прежде некоторыми учёными было выдвинуто предположение, что для разрешения этой загадки потребуется новая физическая модель. Однако новые данные eROSITA позволяют быть более оптимистичными и предполагать, что напряжение S8 может быть объяснено без необходимости радикально менять понимание космологии.
eROSITA предоставила точные измерения эволюции скоплений галактик, что открывает новые возможности для дальнейшего изучения и понимания развития Вселенной. Эсра Бюльбюль, ведущий научный сотрудник группы кластеров и космологии eROSITA, подчёркивает, что измеряемые по скоплениям галактик космологические параметры согласуются с наблюдениями реликтового излучения. Это указывает на то, что одна и та же космологическая модель работает с первых моментов после Большого взрыва и до настоящего времени.
Стандартная модель космологии, известная как модель холодной тёмной материи (ΛCDM), утверждает, что Вселенная сразу после Большого взрыва представляла собой горячее и плотное скопление фотонов, электронов и протонов. В это время электроны бесконечно рассеивали фотоны, что означает, что Вселенная, по сути, была непрозрачной. Так продолжалось до тех пор, пока примерно 400 000 лет спустя Вселенная не расширилась и не остыла достаточно, чтобы позволить электронам и протонам сблизиться достаточно, чтобы образовать связи и создать первые атомы водорода.
В эпоху реионизации Вселенная стала «прозрачной» для света. Этот «первый свет» теперь почти идеально равномерно заполняет Вселенную и известен как реликтовое излучение. А поскольку этот свет существовал ещё до появления первых звёзд и галактик, реликтовое излучение является отличным инструментом для отслеживания эволюции космоса.
По мере развития Вселенной первые атомы группировались, образуя первые газовые облака, затем первые звёзды, которые собирались в галактики, которые образовывали первые галактические скопления, что в конечном итоге привело к образованию некоторых из крупнейших структур в известной Вселенной.
Наблюдения за этими скоплениями с помощью eROSITA, основного прибора на борту российско-немецкого космического аппарата «Спектр-Рентген-Гамма» (SRG), показывают, что видимая материя и тёмная материя составляют 29% общей плотности энергии Вселенной, что согласуется с измерениями космического микроволнового фона.
При наблюдении галактических скоплений eROSITA также смогла измерить неоднородность материи с помощью параметра S8. Хотя предыдущие эксперименты космического микроволнового фона предполагали более высокое значение S8, чем предсказывает стандартная модель, наблюдения eROSITA за этим космическим «ископаемым» фоном больше соответствуют этим теоретическим предсказаниям.
Тем самым новые данные в поддержку стандартной модели космологии указывают на то, что она действительно сохраняется с момента Большого взрыва и на протяжении всего времени существования Вселенной.
Наблюдения eROSITA за галактическими скоплениями также помогли учёным больше узнать нейтрино, которые имеют настолько малую массу и заряд, что их практически невозможно зарегистрировать. Фактически 100 триллионов из них каждую секунду незаметно проходят через наши тела.
Масса нейтрино позволяет им перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, из-за чего астрономы называют их «горячими». Здесь температура является показателем того, насколько быстро движутся частицы. Это означает, что нейтрино могут сглаживать распределение материи во Вселенной, и это можно измерить, исследуя эволюцию крупнейших известных космических структур.
Объединение измерений галактических скоплений eROSITA с наблюдениями реликтового излучения позволило получить наиболее точные измерения значения полной массы нейтрино.
Но и на этом знания, которые eROSITA предоставила о Вселенной не заканчиваются. Данные этого прибора также должны быть в состоянии выявить скорость роста крупнейших структур во Вселенной, что предсказано общей теорией относительности. Ранний анализ 12 247 оптически идентифицированных скоплений галактик, исследованных eROSITA, показывает, что в более поздние космологические времена скорость роста этих скоплений была медленнее, чем предсказывает общая теория относительности.
«Возможно, мы на пороге нового открытия. Если это будет подтверждено, то eROSITA проложит путь к новым теориям, выходящим за рамки общей теории относительности», — заявил один из авторов исследования, Эммануэль Артис.