Σε πολύ μακρινά σημεία γαλαξιακής άλω βρέθηκαν ελλείποντα βαρυόνια επιλύοντας ένα κοσμολογικό μυστήριο

Ερευνητές αξιοποίησαν το αρχικό φως του σύμπαντος – ένα κατάλοιπο του σχηματισμού του σύμπαντος γνωστό και ως κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB) – για να επιλύσουν μυστήριο ελλείπουσας μάζας και να αποκτήσουν καινούργιες γνώσεις σχετικά με τον σχηματισμό γαλαξιών. Η εργασία τους θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει για να κατανοηθεί καλύτερα η σκοτεινή ενέργεια και να ελεγχθεί η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Einstein, παρέχοντας νέες λεπτομέρειες σχετικές με το ρυθμό με τον οποίο οι γαλαξίες κινούμενοι προς και απομακρυνόμενοι από εμάς.

Η αόρατη σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια εξηγούν περίπου το 95% της ολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος και την πλειονότητα του 5% που θεωρείται συνηθισμένη μάζα και είναι επίσης σε μεγάλο βαθμό αφανής, όπως τα αέρια στα άκρα των γαλαξιών που συνιστούν την αποκαλούμενη άλω τους [στην εικόνα του κειμένου φαίνεται η άλως του γαλαξία της Ανδρομέδας]. Η περισσότερη από αυτή την συνήθη ύλη αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια – σωματίδια που αποκαλούνται βαρυόνια που υπάρχουν στους πυρήνες των ατόμων όπως το υδρογόνο και το ήλιο. Μόνο περίπου 10% της βαρυονικής ύλης διαμορφώνει τα άστρα και η περισσότερη από την υπόλοιπη βρίσκεται στο χώρο μεταξύ των γαλαξιών σε σειρές θερμής εκτεινόμενης προς τα έξω ύλης, γνωστής ως WHIM (warm–hot intergalactic medium).

Επειδή τα βαρυόνια είναι τόσο πολύ απλωμένα στο διάστημα, είναι δύσκολο για τους επιστήμονες να έχουν μια καθαρή εικόνα της θέσης και της πυκνότητάς τους γύρω από τους γαλαξίες. Λόγω αυτής της ασυμπλήρωτης εικόνας του που υπάρχει για τη συνήθη ύλη, τα περισσότερα από τα βαρυόνια του σύμπαντος θεωρούνται ως «ελλείποντα». Τώρα, μια διεθνής ομάδα ερευνητών, με βασική τη συνεισφορά των φυσικών του Berkeley Lab [U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory] και του Πανεπιστημίου Cornell, έχει χαρτογραφήσει τη θέση των ελλειπόντων αυτών βαρυονίων παρέχοντας τις καλύτερες, μέχρι σήμερα, μετρήσεις της θέσης τους και της πυκνότητάς τους γύρω από ομάδες γαλαξιών.

Προκύπτει, τελικά, ότι τα βαρυόνια βρίσκονται στην άλω του γαλαξία και ότι αυτή η άλως εκτείνεται πολύ πιο πέρα από ότι τα κοινά μοντέλα προβλέπουν. Ενώ τα περισσότερα άστρα ενός γαλαξία τυπικά βρίσκονται μέσα σε μια περιοχή που είναι περίπου 100.000 έτη φωτός από το κέντρο του γαλαξία, οι μετρήσεις αυτές δείχνουν ότι για μια δεδομένη ομάδα γαλαξιών, τα πιο απομακρυσμένα βαρυόνια μπορούν να εκτείνονται περίπου 6 εκατομμύρια έτη φωτός από το κέντρο τους. Παραδόξως, αυτή η ελλείπουσα ύλη είναι ακόμη πιο δύσκολο να χαρτογραφηθεί από ότι η σκοτεινή ύλη, η οποία μπορεί να παρατηρηθεί έμμεσα μέσω των βαρυτικών επιδράσεων στην κανονική ύλη. Η σκοτεινή ύλη είναι άγνωστη ουσία που αποτελεί περίπου το 27% του σύμπαντος, και η σκοτεινή ενέργεια, η οποία είναι η οδηγός της ύλης του σύμπαντος σε διαστολή με επιταχυνόμενο ρυθμό, αποτελεί περίπου το 68% του σύμπαντος.

Οι ερευνητές έκαναν χρήση μιας διαδικασίας γνωστής ως Sunyaev–Zel’dovich effect που εξηγεί πώς τα ηλεκτρόνια CMB λαμβάνουν ενεργειακή ώθηση μέσω μιας διαδικασίας σκέδασης καθώς αλληλεπιδρούν με θερμά αέρια που περιβάλλουν τα γαλαξιακά σμήνη. Η ερευνητική ομάδα θεωρεί πως είναι μια μεγάλη ευκαιρία να κοιτάξουν πέρα από τις θέσεις των γαλαξιών και τις ταχύτητές τους, καθώς οι μετρήσεις περιέχουν πολύ κοσμολογική πληροφορία σχετικά με το πόσο γρήγορα κινούνται αυτοί οι γαλαξίες. Όπως υποστηρίζουν, θα συμπληρώσουν μετρήσεις που κάνουν άλλα εργαστήρια και θα τις καταστήσουν ακόμη πιο ισχυρές. Οι δράσεις συμπληρώθηκαν από δημιουργία μοντέλου και ερμηνεία των μετρήσεων και την διερεύνηση των συνεπειών τους για την ασθενή βαρυτική εστίαση και τη διαμόρφωση ενός γαλαξία.