Een recent gepubliceerde studie in het tijdschrift Natuurastronomie en die de huidige modellen van structuurvorming in het universum in twijfel trekt, is gebaseerd op gegevens die zijn verkregen met de Gran Telescopio Canarias en onder de auteurs is een team van onderzoekers van het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

De structuur van het heelal is te vergelijken met die van een spons, vaak aangeduid als het kosmische web. Materie is geconcentreerd langs filamenten die elkaar kruisen, zones vormen waar de meeste materie zich ophoopt, en andere waar er heel weinig is. Op de dichtste punten, sterrenstelsels groeperen zich, clusters vormen. Deze systemen, die duizenden sterrenstelsels kan bevatten, zijn de meest massieve structuren in het universum.

Het bestuderen van het kosmische web is een van de huidige uitdagingen in de astrofysica. De eigenschappen van de belangrijkste componenten van materie op deze schalen zijn niet goed bekend, dus gebruiken we termen als 'donkere materie' en 'donkere energie'. De eerste maakt ongeveer 20 procent van de massa van het universum uit en is wat de structuren door hun eigen zwaartekracht gebonden houdt - het werkt een beetje als lijm. De seconde, anderzijds, maakt 75 procent van het heelal uit en is gerelateerd aan de manier waarop het heelal uitdijt. De "normale" zaak, de sterrenstelsels met hun sterren, gas, en stof, amper 5 procent van de massa van het heelal uitmaken, maar ze spelen een belangrijke rol bij het opsporen van de krachten en de eigenschappen van de donkere materie en donkere energieën.

Een internationaal team onder leiding van Mauro Sereno van de Universiteit van Bologna (Italië), met deelname van de IAC en het Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), heeft een van de dichtste clusters van sterrenstelsels in het heelal gelokaliseerd. De studie analyseert, Voor de eerste keer, de buitenste zones van de melkwegcluster PSZ2 G099.86+58.45 tot een straal van 90 miljoen lichtjaar, een gebied waarin de verdeling van materie niet eerder bekend was, noch of het materiaal in deze zones aan elkaar is gebonden door de zwaartekracht van het cluster.

De omgeving van de clusters van sterrenstelsels omvat andere structuren zoals de filamenten en andere naburige clusters, en het materiaal dat naar de meest massieve centrale cluster valt. "Deze studie toont aan dat de dichtheid van materie rond het cluster dat we hebben bestudeerd tot zes keer groter is dan verwacht, " zegt Mauro Sereno, de hoofdonderzoeker. In aanvulling, de onderzoekers hebben ontdekt dat de mechanismen die massa aangroeien tot zeer hoge dichtheden kunnen leiden, zelfs op grote afstanden van deze clusters van sterrenstelsels.

Het werk is gebaseerd op het "gravitationele lens"-effect, dat gebeurt wanneer de massa van een cluster en het omringende materiaal het licht van zeer verre sterrenstelsels afbuigen, het veranderen van de vormen van de afbeeldingen van deze achtergrondsterrenstelsels. Hoe dichter en geconcentreerder het lichaam als lens fungeert, des te groter is de vervorming van de achtergrondstelsels. De statistische studie van de vervormingen voor meer dan 150, 000 achtergrondsterrenstelsels via het zogenaamde "zwakke lenseffect" met behulp van diepe beelden verkregen met de CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope) hebben het team in staat gesteld de distributie te vinden, massa, en dichtheid rond het cluster PSZ2 G099.86+58.45. De resultaten laten zien dat dit cluster een zeldzame uitzondering is, wat niet goed past bij de modellen van structuurvorming. Dit houdt in dat er mechanismen moeten zijn voor het aangroeien van materie die veel efficiënter zijn dan we kennen.

Hoewel de modellen goed passen bij de dichtheid van de materie in de binnenste regionen van clusters van sterrenstelsels tot op een afstand van 15 tot 20 miljoen lichtjaar, in de buitengebieden, de modellen hebben een extra component nodig om in de geobserveerde data te passen. " Deze component van massa is volledig onbekend, en de numerieke simulaties van clusters van sterrenstelsels voorspellen het niet, " legt Rafael Barrena uit, een IAC-onderzoeker, een van de auteurs van het artikel gepubliceerd in Natuurastronomie "Dus we worden geconfronteerd met observationeel bewijs voor grote hoeveelheden materie waar we het niet verwachtten te vinden."

De IAC-groep die aan deze publicatie deelneemt, heeft spectroscopische waarnemingen gedaan van een steekproef van sterrenstelsels die deel uitmaken van het PSZ2 G099.86+58.45-cluster met behulp van de multiobject OSIRIS-spectrograaf op de Gran Telescopio Canaris (GTC) van het Roque de los Muchachos Observatorium ( Garafia, La Palma). Door de snelheden van de bewegingen van de sterrenstelsels in de cluster te meten, is het mogelijk om de totale massa ervan te meten.

Als praktisch probleem dit komt overeen met het meten van de massa van de zon door de snelheden van de planeten in hun banen te gebruiken. Met behulp van deze methode, ze zijn erin geslaagd om de totale massa van het cluster te meten. De resultaten bevestigen dat PSZ2 G099.86+58.45 een zeer massief, dichte cluster van sterrenstelsels, en dat de effecten van zijn zeer krachtige zwaartekrachtsveld zich uitstrekken tot zeer ver van zijn centrum, veel groter dan de modellen voorspellen.

"We hebben een studie geproduceerd die de deur opent naar een deel van het universum dat tot nu toe onvoldoende is verkend, de grens tussen clusters van sterrenstelsels, " zegt de IAC-onderzoeker Alina Streblyanska, een van de auteurs van het artikel. Dit is een regio die ons veel informatie kan geven als we deze systemen bestuderen, hoe ze gevormd zijn, en hoe deze, de meest massieve structuren in het universum, zijn geëvolueerd. Met deze studie, we hebben weer een kleine stap gezet in de richting van het begrijpen van donkere materie en hoe deze is verdeeld in het kosmische web van het universum, " concludeert Antonio Ferragamo, IAC-onderzoeker.