Onderzoekers hebben het vroegste licht van het universum gekanaliseerd - een overblijfsel van de vorming van het universum dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - om een ​​mysterie van ontbrekende materie op te lossen en nieuwe dingen te leren over de vorming van sterrenstelsels. Hun werk zou ons ook kunnen helpen donkere energie beter te begrijpen en Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen door nieuwe details te verschaffen over de snelheid waarmee sterrenstelsels naar ons toe of van ons af bewegen.

Onzichtbare donkere materie en donkere energie zijn goed voor ongeveer 95% van de totale massa en energie van het universum, en de meerderheid van de 5% die als gewone materie wordt beschouwd, is ook grotendeels onzichtbaar, zoals de gassen aan de rand van sterrenstelsels die hun zogenaamde halo's vormen.

Het grootste deel van deze gewone materie bestaat uit neutronen en protonen - deeltjes die baryonen worden genoemd en die voorkomen in de kernen van atomen zoals waterstof en helium. Slechts ongeveer 10% van de baryonische materie is in de vorm van sterren, en het grootste deel van de rest bewoont de ruimte tussen sterrenstelsels in strengen van hete, uitgespreide materie bekend als het warm-hete intergalactische medium, of WIM.

Omdat baryonen zo verspreid in de ruimte zijn, het was voor wetenschappers moeilijk om een ​​duidelijk beeld te krijgen van hun locatie en dichtheid rond sterrenstelsels. Vanwege dit onvolledige beeld van waar gewone materie zich bevindt, de meeste baryonen van het universum kunnen als 'vermist' worden beschouwd.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers, met belangrijke bijdragen van natuurkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de Cornell University van het Amerikaanse Department of Energy, heeft de locatie van deze ontbrekende baryonen in kaart gebracht door de beste metingen te geven, daten, van hun locatie en dichtheid rond groepen sterrenstelsels.

Het blijkt dat de baryonen toch in halo's van sterrenstelsels zijn, en dat deze halo's veel verder reiken dan populaire modellen hadden voorspeld. Hoewel de meeste sterren van een individueel sterrenstelsel zich doorgaans in een gebied van ongeveer 100 bevinden, 000 lichtjaar van het centrum van de melkweg, deze metingen laten zien dat voor een bepaalde groep sterrenstelsels, de meest afgelegen baryonen kunnen ongeveer 6 miljoen lichtjaar van hun centrum verwijderd zijn.

Paradoxaal genoeg, deze ontbrekende materie is nog moeilijker in kaart te brengen dan donkere materie, die we indirect kunnen waarnemen door zijn zwaartekrachtseffecten op normale materie. Donkere materie is de onbekende stof die ongeveer 27% van het universum uitmaakt; en donkere energie, die de materie in het universum steeds sneller uit elkaar drijft, vormt ongeveer 68% van het heelal.

"Slechts een paar procent van de gewone materie heeft de vorm van sterren. Het meeste is in de vorm van gas dat over het algemeen te zwak is, te diffuus om te kunnen detecteren, " zei Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoctoral Fellow in de Physics Division van Berkeley Lab en hoofdauteur van een van de twee artikelen over de ontbrekende baryonen, gepubliceerd op 15 maart in het tijdschrift Fysieke beoordeling D .

De onderzoekers maakten gebruik van een proces dat bekend staat als het Sunyaev-Zel'dovich-effect en dat verklaart hoe CMB-elektronen een energieboost krijgen via een verstrooiingsproces als ze interageren met hete gassen rond clusters van sterrenstelsels.

"Dit is een geweldige kans om verder te kijken dan de posities van sterrenstelsels en de snelheden van sterrenstelsels, " zei Simone Ferraro, een Divisional Fellow in de Physics Division van Berkeley Lab die aan beide onderzoeken heeft deelgenomen. "Onze metingen bevatten veel kosmologische informatie over hoe snel deze sterrenstelsels bewegen. Het zal een aanvulling vormen op metingen die andere observatoria doen, en maak ze nog krachtiger, " hij zei.

Een team van onderzoekers van de Cornell University, bestaande uit onderzoeksmedewerker Stefania Amodeo, assistent professor. Professor Nicolaas Battaglia, en afgestudeerde studente Emily Moser, leidde de modellering en de interpretatie van de metingen, en onderzochten hun gevolgen voor zwakke gravitatielenzen en de vorming van sterrenstelsels.

De computeralgoritmen die de onderzoekers ontwikkelden, zouden nuttig moeten blijken bij het met hoge precisie analyseren van "zwakke lensing" -gegevens van toekomstige experimenten. Lenzenverschijnselen treden op wanneer massieve objecten zoals melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels ruwweg in een bepaalde lijn van de locatie zijn uitgelijnd, zodat zwaartekrachtvervormingen het licht van het verder weg gelegen object daadwerkelijk buigen en vervormen.

Zwakke lensing is een van de belangrijkste technieken die wetenschappers gebruiken om de oorsprong en evolutie van het universum te begrijpen, inclusief de studie van donkere materie en donkere energie. Het leren van de locatie en distributie van baryonische materie brengt deze gegevens binnen handbereik.

"Deze metingen hebben ingrijpende gevolgen voor zwakke lensvorming, en we verwachten dat deze techniek zeer effectief zal zijn bij het kalibreren van toekomstige onderzoeken met zwakke lenzen, ' zei Ferraro.

Schaan merkte op, "We krijgen ook informatie die relevant is voor de vorming van sterrenstelsels."

In de laatste onderzoeken researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"Het is als een watermerk op een bankbiljet, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Het dient om het gas van achteren te verlichten, zodat we de schaduw kunnen zien terwijl het CMB-licht door dat gas reist."

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.