Een methode om de hoeveelheden materie in clusters van sterrenstelsels - de grootste objecten in ons universum - te wegen, heeft een evenwicht aangetoond tussen de hoeveelheden heet gas, sterren en andere materialen.

De resultaten zijn de eerste die observatiegegevens gebruiken om dit evenwicht te meten, die 20 jaar geleden werd getheoretiseerd, en zal nieuw inzicht geven in de relatie tussen gewone materie die lichte en donkere materie uitstraalt, en over hoe ons universum uitdijt.

Melkwegclusters zijn de grootste objecten in het heelal, elk samengesteld uit ongeveer 1, 000 massieve sterrenstelsels. Ze bevatten enorme hoeveelheden donkere materie, samen met heet gas en koeler "gewone materie, " zoals sterren en koeler gas.

In een nieuwe studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een internationaal team onder leiding van astrofysici van de University of Michigan in de VS en de University of Birmingham in het VK gebruikte gegevens van de Local Cluster Substructure Survey (LoCuSS) om de verbindingen te meten tussen de drie belangrijkste massacomponenten waaruit clusters van sterrenstelsels bestaan:donkere materie , heet gas, en sterren.

Leden van het onderzoeksteam hadden 12 jaar besteed aan het verzamelen van gegevens, met een golflengte van een factor 10 miljoen, met behulp van de Chandra- en XMM-Newton-satellieten, de ROSAT All-sky-enquête, Subaru-telescoop, Verenigd Koninkrijk Infrarood Telescoop (UKIRT), Mayall telescoop, de Sunyaev Zeldovich-array, en de Planck-satelliet. Met behulp van geavanceerde statistische modellen en algoritmen gebouwd door Dr. Arya Farahi tijdens zijn doctoraatsstudies aan de Universiteit van Michigan, kon het team concluderen dat de som van gas en sterren in de clusters die ze bestudeerden een bijna vaste fractie is van de massa van donkere materie . Dit betekent dat als sterren worden gevormd, de hoeveelheid beschikbaar heet gas zal proportioneel afnemen

"Dit valideert de voorspellingen van de heersende koude donkere materie-theorie. Alles komt overeen met ons huidige begrip van het universum, " zei Dr. Farahi, momenteel een McWilliams Postdoctoral Fellow bij de afdeling Natuurkunde aan de Carnegie Mellon University.

Dr. Graham Smith van de School of Physics and Astronomy aan de University of Birmingham en hoofdonderzoeker van LoCuSS, zegt:"Een bepaalde hoeveelheid materiaal in het universum stort in om clusters van sterrenstelsels te vormen.

"Maar als ze eenmaal gevormd zijn, deze clusters zijn 'gesloten dozen'. Het hete gas heeft ofwel sterren gevormd, of blijft nog steeds als gas, maar de totale hoeveelheid blijft constant."

"Dit onderzoek wordt mogelijk gemaakt door meer dan een decennium aan telescoopinvesteringen, " voegt professor August E. Evrard toe, van de Universiteit van Michigan. "Met behulp van deze hoogwaardige gegevens, we waren in staat om 41 nabije melkwegclusters te karakteriseren en een speciale relatie te vinden, specifiek anti-gecorreleerd gedrag tussen de massa in sterren en de massa in heet gas. Dit is belangrijk omdat deze twee metingen ons samen de beste indicatie geven van de totale systeemmassa."

De bevindingen zullen cruciaal zijn voor de inspanningen van astronomen om de eigenschappen van het universum als geheel te meten. Door een beter begrip te krijgen van de interne fysica van clusters van sterrenstelsels, onderzoekers zullen het gedrag van donkere energie en de processen achter de uitdijing van het heelal beter kunnen begrijpen.

"Clusters van sterrenstelsels zijn intrinsiek fascinerend, maar in veel opzichten nog steeds mysterieuze objecten, " voegt Dr. Smith toe. "Het ontrafelen van de complexe astrofysica die deze objecten beheerst, zal veel deuren openen naar een breder begrip van het universum. Eigenlijk, als we willen kunnen beweren dat we begrijpen hoe het universum werkt, we moeten clusters van sterrenstelsels begrijpen."

Gegevens van het soort dat door het team wordt bestudeerd, zullen de komende decennia met verschillende ordes van grootte groeien dankzij telescopen van de volgende generatie, zoals de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), die momenteel in aanbouw is in Chili, en e-ROSITA, een nieuwe röntgensatelliet. Beide zullen begin 2020 met waarnemingen beginnen.

"Deze metingen leggen een basis voor nauwkeurige wetenschap met clusters van sterrenstelsels, " zegt professor Alexis Finoguenov, een lid van het team van de Universiteit van Helsinki.