En bro av gass mellom galaksehopene

Astronomer har oppdaget en bro av varm gass som binder sammen to galaksehoper. Dermed har de muligens kommet nærmere løsningen på mysteriet med de forsvunne baryonene.

Galakser og galaksehoper er strukturert i et kosmisk nettverk eller spindelvev av både synlig og usynlig materie. Bildet viser en bit av en simulering av utviklingen til universets struktur. Se større bilde her. Bilde: Klaus Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximillians-Universität, Tyskland.

Universets struktur

Våren 2013 kommer de etterlengtede hovedresultatene fra den etter hvert så berømte satellitten Planck. Da kan vi forvente de mest nøyaktige svar noensinne på de virkelig store spørsmålene. Hvor gammelt er universet? Hvor mye mørk energi finnes og hva slags type er den? Når ble de første stjernene og galaksene dannet?

Mens vi venter på dette, blir det publisert andre spennende resultater. Nå har Planck-gruppen publisert en studie som viser at de ved hjelp av data fra Planck har påvist varm gass i rommet mellom to galaksehoper. Dette kan være et funn som viser hvor en del av den manglende baryoniske (såkalt «vanlige») materien i universet befinner seg. Svaret kan være at baryonene er spredt tynt utover i det kosmiske spindelvevet som utgjør selve strukturen i universet.

– Oppdagelsen av gassbroen mellom de to galaksehopene er viktig som en bekreftelse på at det kosmiske spindelvevet faktisk finnes, sier forsker Håkon Dahle ved Institutt for teoretisk astrofysikk. Dahle deltar selv i arbeidsgruppen for studier av galaksehoper innad i Planck-gruppen. – Eksistensen av dette spindelvevet er en viktig forutsigelse i dagens kosmologiske standardmodell, der universet er dominnert av mørk materie og mørk energi.

Planck

Planck-satellittenPlanck-satelitten (tegning) i bane rundt Jorden. Bilde: ESA – D. Ducros

Planck-satelitten fra den europeiske romfartsorganisasjonen ESA ble sendt opp i 2009. Instrumentene om bord måler variasjoner i temperaturen til den kosmiske bakgrunnsstrålingen; ørsmå forandringer fra sted til sted i en stråling i mikrobølgeområdet som kommer mot oss fra alle kanter hele tiden.

Bakgrunnsstrålingen stammer fra universets begynnelse og inneholder svar på de fleste store spørsmål man kan tenke seg å stille om universet.

Baryoner: den vanlige materien i universet?

De fleste astronomer er enige om at universet for det meste består av energi og materie som vi egentlig ikke vet hva er, men som vi kaller mørk. Mørk energi og mørk materie står for hele 96% av alt som finnes i universet.

Som motpart til de eksotiske formene for materie og energi har vi den såkalt «vanlige» materien, det vil si de partiklene som danner atomer og molekyler. Denne typen partikler kalles baryoner. Alle mennesker, dyr, planter, planeter, Solen og alle de lysende stjernene på nattehimmelen er laget av baryoner.

Ser man tilstrekkelig stort på det så er det altså bare ca fire prosent av alt som finnes i universet som er laget av baryoner. Vi kaller likevel ofte baryonene for «vanlig» materie fordi det er denne typen materie vi ser rundt oss i dagliglivet og som vi best vet hvordan oppfører seg.

De forsvunne baryonene

Kosmisk spindelvevKosmisk spindelvev: Dette bildet er fra en numerisk simulering av hvordan materien (både den lysende og den mørke) ser ut på veldig stor skala. Vi ser et slags edderkoppspinn av områder med mye materie (røde flekker), tynne filamenter («armene» mellom klumpene) og tomrom (blå områder). Utstrekningen på bildet er nesten 900 millioner lysår. Bilde: Klaus Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximillians-Universität, Tyskland.

Veletablerte teorier om hvordan materie ble dannet i det tidlige univers forteller oss hvor mye baryoner som ble dannet helt i begynnelsen av universets historie. I motsetning til mørk materie kan baryoner oppdages ved at de sender ut, reflekterer eller absorberer lys. Problemet har vært at astronomene ikke har klart å finne ut hvor alle baryonene som ble dannet da universet ble til, har blitt av i dag.

Noen baryoner har klumpet seg sammen til stjerner og planeter slik som i vårt eget solsystem. Disse baryonene er det relativt enkelt å finne frem til. Men disse utgjør bare omtrent halvparten av alle baryonene som burde vært der. Hvor er resten? Har de forsvunnet, eller gjemmer de seg for detektorene våre?

Er de forsvunne baryonene i WHIM?

En mulighet er at de forsvunne baryonene er spredt så tynt at lyset de sender ut er svært vanskelig å oppdage. Forskerne tenker seg at de manglende baryonene er spredt ut i et gigantisk nettverk som dekker hele universet (se bilde fra den numeriske simuleringen).

Som all vitenskap er dette et sammensatt bilde der brikkene må legges sammen for å pusle frem et helhetlig bilde. Det er all materien i universet, både galakser og gass (synlig materie, altså baryoner) og den eksotiske mørke (og usynlige) materien som utgjør det kosmiske spindelvevet.

Den synlige (baryoniske) delen av spindelvevet kalles WHIM: Warm-Hot Intergalactic Medium. Det er WHIM-delen av spindelvevet som kan være de forsvunne baryonene, og gassbroen som er funnet av Planck er - muligens - en del av WHIM.

Et nytt spektralvindu åpnes med Planck

I det siste tiåret har observasjoner av WHIM stort sett blitt gjort med røntgenstråling eller observasjoner i synlig og ultrafiolett lys. Instrumentene om bord på Planck observerer i mikrobølger, som er en helt annen del av det elektromagnetiske spektrum. Man får dermed lett etter WHIM på andre bølgelengder enn tidligere. Å lete etter det samme med ulike metoder er en vanlig og nyttig fremgangsmåte i vitenskapelige undersøkelser.

Selv om WHIM hovedsakelig finnes i lange, tynne filamentliknende strukturer i det kosmiske spindelvevet, forventes det også å finnes i nærheten av universets kjemper: galaksehopene.

Planck ser etter spindelvev

To galaksehoper bundet sammen med gass-skyDe to galaksehopene Abell 399 (nede til høyre) og Abell 401 (oppe til venstre). Bildet er satt sammen av et bilde i synlig lys som viser galaksene, og et bilde av Sunyaev-Zel'dovich-effekten som viser den varme gassen. Galaksene er de lyse, litt avlange flekkene. Galaksehopene kan sees som de to områdene der det er flest galakser. Man kan også se flere stjerner på bildet, disse stjernene ligger i vår egen galakse - Melkeveien - og er mye nærmere oss enn galaksehopene. Den varme gassen som er både inni selve galaksehopene og som danner en bro mellom dem, er her farget oransje. Bildet dekker et område som tilsvarer en grad på himmelen, det vil si to ganger så stort som fullmånen. Bilde: Sunyaev-Zel'dovich effekt (oransje): ESA & Planck Collaboration. Optisk bilde: STScI Digitized Sky Survey

Galaksehoper er de største objektene i universet som holdes samlet av tyngdekrefter. De består av noen hundre til flere tusen galakser som blir holdt sammen i et felles tyngdefelt, samt store mengder varm gass og enda mer mørk materie.

Hvordan finne galaksehoper med Planck

Astronomer har tidligere brukt den såkalte Sunyaev-Zel'dovich-effekten (ofte forkortet SZ-effekten) for å lokalisere nye galaksehoper.

På vei mot oss passerer den kosmiske bakgrunnsstrålingen gjennom den varme gassen som befinner seg mellom galakser inni galaksehopene. Strålingen får da tilført energi gjennom spredning på elektroner i gassen. Planck-satellitten måler SZ-effekten over hele himmelen

Å lete etter WHIM-baryoner med SZ-effekten

Det er denne samme SZ-effekten som nå brukes for å lete etter WHIM. Det vil si at man nå har lett etter tegn på at bakgrunnsstrålingen har fått tilført energi fra gassen mellom (i motsetning til inni) galaksehopene.

Å lete etter gass i det kosmiske spindelvevet er svært utfordrende i og med at gassen i filament-armene er så tynt spredt utover. I området mellom to galaksehoper kan spindelvevs-gassen bli varmet opp og bli tettere enn ellers. Dette gjør at det i slike områder kan være lettere å oppdage den. Forskere fra Planck-gruppen har nå sett nærmere på datakataloger med galaksehop-par.

Gassbro funnet

Mellom galaksehopene Abell 399 og Abell 401 har forskerne funnet en bro av varm gass som binder de to hopene sammen. Galaksehopene har en rødforskyvning på 0.07, som vil si at de er omtrent en milliard lysår unna oss - relativt nærme til galaksehoper å være. Gassbroen som nå er funnet har en lengde på 10 millioner lysår. De varmeste delene av gassen har en temperatur på rundt 80 millioner grader.

Gassen er så varm på grunn av de enorme tyngdekreftene fra all materien i galaksehopene. Bevegelsesenergien som gassen får når den faller innover i hopenes tygdefelt, gjøres om til termisk energi (varme). Gassen i hopene er imidlertid svært tynn, størrelsesorden 0.001 partikler per kubikkcentimeter.

Dette er den første oppdagelsen av gass mellom galaksehoper som er gjort ved hjelp Sunyaev-Zel'dovich-effekten.

Det er fremdeles ikke klart om gassen faktisk er en del av WHIM eller om den tidligere har vært inni galaksehopene som den nå danner en bro mellom. Numeriske simuleringer kan tyde på at den kan være en blanding av begge deler. Nærmere analyser kan avklare dette ved å avdekke flere eksempler på slike gassbroer.

Resultatene er publisert i artikkelen Planck intermediate results. VIII. Filaments between interacting clusters i tidsskriftet Astronomy & Astrophysics.

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 20. nov. 2012 18:02 - Sist endret 21. nov. 2012 11:02