Een combinatie van waarnemingsgegevens en geavanceerde computersimulaties heeft geleid tot vooruitgang in een veld van astrofysica dat al een halve eeuw wegkwijnt. De donkere energie-enquête, die wordt gehost door het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft een reeks nieuwe resultaten gepubliceerd over wat intraclusterlicht wordt genoemd, of ICL, een zwak type licht dat wordt aangetroffen in clusters van sterrenstelsels.

De eerste uitbarsting van nieuwe, precisie ICL-metingen verschenen in een paper gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift in april 2019. Een andere verscheen recentelijk in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. In een verrassende bevinding van de laatste, DES-natuurkundigen ontdekten nieuw bewijs dat ICL een nieuwe manier zou kunnen bieden om een ​​mysterieuze substantie genaamd donkere materie te meten.

De bron van ICL lijkt malafide sterren te zijn, die niet zwaartekracht gebonden aan een melkwegstelsel. Er wordt al lang vermoed dat de ICL mogelijk een belangrijk onderdeel is van clusters van sterrenstelsels, maar zijn zwakte maakt het moeilijk te meten. Niemand weet hoeveel er is of in welke mate het zich door clusters van sterrenstelsels heeft verspreid.

"Observationeel ontdekten we dat intraclusterlicht een redelijk goede radiale tracer van donkere materie is. Dat betekent dat waar intraclusterlicht relatief helder is, de donkere materie is relatief dicht, " zei Fermilab-wetenschapper Yuanyuan Zhang, die beide studies leidde. "Alleen al het meten van de ICL zelf is best spannend. Het gedeelte van de donkere materie is een toevallige ontdekking. Het is niet wat we hadden verwacht."

Hoewel onzichtbaar, donkere materie is verantwoordelijk voor de meeste materie in het universum. Waaruit donkere materie bestaat, is een van de belangrijkste mysteries van de moderne kosmologie. Wetenschappers weten alleen dat het sterk verschilt van de normale materie die bestaat uit de protonen, neutronen en elektronen die het dagelijks leven domineren.

Maar ICL, geen donkere materie, stond aanvankelijk op de agenda van het onderzoeksteam. De meeste astrofysici meten intraclusterlicht in het centrum van een melkwegcluster, waar het het helderst en overvloedigst is.

"We gingen heel ver weg van de centra van de melkwegclusters, waar het licht echt zwak is, " zei Zhang. "En hoe verder we van het centrum weg gingen, hoe moeilijker de meting werd."

Hoe dan ook, de DES-medewerkers slaagden erin om de meest radiaal uitgebreide meting van ICL ooit te behalen.

Het team gebruikte zwakke zwaartekrachtlenzen om de radiale verdeling van de ICL - hoe deze verandert over de afstand vanaf het centrum van een cluster - te vergelijken met de radiale verdeling van de massa van een cluster van sterrenstelsels. Zwakke lensing is een voor donkere materie gevoelige methode om de massa van een sterrenstelsel of cluster te meten. Het treedt op wanneer de zwaartekracht van een voorgrondster of cluster het licht van een verder weg gelegen melkwegstelsel afbuigt, zijn schijnbare vorm vervormen.

Het bleek observationeel dat ICL de verdeling weerspiegelt van zowel de totale zichtbare massa van een cluster van sterrenstelsels als, mogelijk, de verdeling van de onzichtbare donkere materie.

"We hadden niet verwacht zo'n nauwe verbinding te vinden tussen deze radiale distributies, maar dat deden we, " zei wetenschapper Hillysson Sampaio-Santos, de hoofdauteur van het nieuwe artikel.

Waarnemingen vergelijken met simulaties

Om meer inzicht te krijgen, het team gebruikte een geavanceerde computersimulatie om de relatie tussen ICL en donkere materie te bestuderen. Ze ontdekten dat de radiale profielen tussen de twee fenomenen in de simulatie niet overeenkwamen met de waarnemingsgegevens. In de simulatie, "het ICL-radiaalprofiel was niet het beste onderdeel om donkere materie op te sporen, " zei Sampaio-Santos, die bij de National Observatory in Rio de Janeiro is, Brazilië.

Zhang merkte op dat het te vroeg is om precies te zeggen wat het conflict tussen observatie en simulatie veroorzaakte.

"Als de simulatie het niet goed deed, het zou kunnen betekenen dat het gesimuleerde intraclusterlicht op een iets ander tijdstip wordt geproduceerd dan bij waarnemingen. De gesimuleerde sterren hadden niet genoeg tijd om rond te dwalen en donkere materie op te sporen, " ze zei.

Sampaio-Santos merkte op dat verdere ICL-onderzoeken inzichten zouden kunnen opleveren in de dynamiek die plaatsvindt in clusters van sterrenstelsels, inclusief interacties waarbij sommige van hun sterren door de zwaartekracht vrijkomen, waardoor ze rond kunnen dwalen.

"Ik ben van plan om het intraclusterlicht en de effecten van ontspanning te bestuderen, " of uitspreiden, hij zei. Bijvoorbeeld, sommige clusters zijn samengevoegd. Deze samengevoegde clusters zouden andere eigenschappen van ICL moeten hebben dan clusters die versoepeld zijn.

Versterking van signalen in datasets met ruis

De ICL die het team heeft gemeten, is ongeveer honderd tot duizend keer zwakker dan wat DES-wetenschappers normaal proberen. Dat betekende dat het team te maken had met veel ruis en vervuiling in het signaal.

Het technische aspect van de prestatie was uitdagend, Zhang zei, "maar omdat we nogal wat gegevens hadden van de Dark Energy Survey, we waren in staat om veel ruis weg te werken om dit soort metingen te doen. Het is statistische middeling."

Astrofysici doen doorgaans ICL-metingen met een handvol clusters van sterrenstelsels tegelijk.

"Dat is een geweldige manier om informatie te krijgen over de individuele systemen, ' zei Zhang.

Om het grotere geheel te krijgen en het lawaai te verminderen, het DES-team had statistisch gemiddeld ongeveer 300 clusters van sterrenstelsels in de eerste studie en meer dan 500 clusters in de tweede. Ze bevinden zich allemaal op een paar miljard lichtjaar van de aarde.

Het signaal plagen van de ruis van elk cluster kost veel gegevens, dat is precies wat de DES heeft gegenereerd. Begin 2019, DES voltooide zijn zesjarige missie om honderden miljoenen verre sterrenstelsels aan de zuidelijke hemel te observeren en bracht medio januari zijn tweede gegevensrelease uit.

De ICL-metingen onderzoeken clusters die tot 3,3 miljard lichtjaar van de aarde verwijderd zijn. In toekomstige studies, Zhang zou de roodverschuivingsevolutie van ICL willen bestuderen - hoe deze verandert met de kosmische tijd.

"Mijn droom is om helemaal naar roodverschuiving één te gaan - 10 miljard lichtjaar, "Zei Zhang. "Studies zeggen dat de ICL toen net begon te evolueren."

Door zo ver te gaan, zouden wetenschappers in de loop van de tijd het ICL-gebouw kunnen zien.

"Maar dat is heel moeilijk, want het is drie keer zo ver als de afstand van onze laatste metingen, dus alles zal daar extreem zwak zijn, " ze zei.