Astrophysik im Fußball: ein GRT-Check über galaktische Skalen und die fehlende baryonische Substanz • Alexey Levin • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Astrophysik, Kosmologie

Astrophysik im Fußball: Ein GRT-Check über galaktische Skalen und die fehlende Baryon-Substanz

Abb. 1. Elliptische Galaxie ESO 325-G004. Eine ferne Galaxie wird darauf fokussiert, was zur Bildung eines Einstein-Rings führt (auf der Seitenleiste). Es macht sich bemerkbar, nachdem die Emission der Galaxie ESO 325-G004 vom ursprünglichen Bild subtrahiert wurde (ohne eine solche Verarbeitung wird der Einstein-Ring durch Licht aus der zentralen Region der Galaxie verdunkelt). Bild aus dem Artikel in der DiskussionWissenschaft

Während die Welt die Spiele der WM-Gruppenphase verfolgte, stand die Wissenschaft nicht still. Ende Juni wurden zwei Artikel mit höchst nicht-trivialen astrophysikalischen Ergebnissen veröffentlicht. Im ersten Artikel konnten Wissenschaftler unter Ausnutzung der Tatsache, dass die ESO 325-G004 Galaxielinsen eine entferntere Galaxie sind, die Masse von ESO 325-G004 auf zwei Arten berechnen und dabei den Wert des Parameters γ schätzen, der in der allgemeinen Relativitätstheorie gleich 1 sein sollte im Einklang mit der GTR-Anforderung. In der zweiten Arbeit gelang es uns, Spuren zu reparieren, die im Spektrum eines fernen Blazar zwei Wolken extrem heißen intergalaktischen Gases hinterlassen haben. Zuvor "manifestierten" sich solche Wolken in keiner Weise, so dass Wissenschaftler schließlich zumindest einen Teil der fehlenden baryonischen Materie im Universum entdecken konnten.

Ende Juni in Zeitschriften Wissenschaft und Natur Zwei Artikel wurden mit wichtigen Ergebnissen veröffentlicht, die bestätigen, dass unsere Vorstellungen über die Struktur des Universums die Realität ziemlich gut widerspiegeln.

Der Artikel ist eine Gruppe von Wissenschaftlern von Universitäten in Großbritannien, Deutschland und den Vereinigten Staaten unter der Leitung von Thomas E. Collett, veröffentlicht am 22. Juni in Wissenschaft Die Anwendbarkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) wird anhand von Messungen überprüft, die außerhalb der Grenzen unserer Galaxie durchgeführt werden. Dies ist die genaueste Verifizierung dieser Theorie auf einer Skala von mehreren tausend Lichtjahren. Es ist bemerkenswert, dass dies die charakteristischen Dimensionen der kompaktesten Zwerggalaxien sind.

Die Überprüfung der allgemeinen Relativität auf verschiedenen Raumskalen wurde mehr als einmal durchgeführt und wird zweifellos wiederholt werden. Dies ist zu einem großen Teil auf die Beschleunigung der Expansion des Universums zurückzuführen, die am Ende des letzten Jahrhunderts offen diskutiert wurde, was jetzt umstritten ist (es gibt Ketzer, aber nicht viele). Im Rahmen des Standard-Kosmologischen Modells wird diese Beschleunigung bekanntlich den Effekten dunkler Energie zugeschrieben, deren Natur noch ungeklärt ist. Es kann jedoch erklärt werden, ohne diese Hypothese zu verwenden, wenn man auf die eine oder andere Weise die Gravitationsfeldgleichungen ändern würde – mit anderen Worten, GR zu verlassen.Es gibt genügend konkurrierende Theorien hier, aber ihre Überzeugungskraft wird stark dadurch untergraben, dass Astronomen keine Beobachtungen zur Verfügung haben, die Einsteins Theorie eindeutig widersprechen würden.

Die theoretische Grundlage für die neue Studie war die Gleichung für die Metrik eines schwachen Gravitationsfeldes in einem expandierenden Friedmann-Universum mit einem Raum konstanter Krümmung. In verwandten Koordinaten sieht das so aus:

\ [\ mathrm % s ^ 2 = a ^ 2 (\ tau) \ links [- (1 + 2 \ mathrm {\ Phi}) \ mathrm % \ tau ^ 2 + (1 -2 \ mathrm { \ Psi}) g_ % \ mathrm % x ^ i \ mathrm % x ^ j \ rechts], \]

wo τ eine der Formen der Zeitkoordinate ist (dies ist die konforme Zeit (siehe Teilchenhorizont), die es erlaubt, die Zeitintervalle im expandierenden Universum physikalisch auf natürliche Weise zu bestimmen), xich und xj – räumliche Koordinaten, gij – dreidimensionaler metrischer Tensor, a(τ) – der Skalierungsfaktor des Universums. Φ und Ψ sind zwei Gravitationspotentiale, außerdem ist Φ das Potential des Newtonschen Aggressionsfeldes, und Ψ ist das Potential, das mit der Krümmung des dreidimensionalen Raumes verbunden ist. In Einsteins Theorie stimmen beide Potentiale genau überein, und daher ist ihr Verhältnis γ = Ψ / Φ immer gleich Eins. Zur gleichen Zeit betrachten viele alternative Theorien, die die beschleunigte Expansion des Universums erklären wollen, ohne dunkle Energie anzuziehen, γ als skalenabhängigen variablen Parameter.Daher werden Messungen dieses Wertes auf verschiedenen Skalen als einer der vielversprechendsten Wege angesehen, GR zu verifizieren.

Solche Messungen wurden mehr als einmal durchgeführt, aber die erhaltenen Ergebnisse sind noch mehrdeutig. Innerhalb des Sonnensystems stimmt γ mit der Einheit bis zu einem Tausendstel Prozent überein. Dieses Ergebnis ist jedoch durchaus zu erwarten, da die Krümmung des Raumes durch die Sonnengravitation sehr gering ist. Und Beobachtungen auf der Skala von mehreren hundert Millionen Lichtjahren ermöglichten es, den Wert von γ mit einem Fehler von 20-30 Prozent zu bestimmen. Infolgedessen bleibt die Frage seiner Beständigkeit oder Variabilität offen.

Collette und seine Kollegen arbeiteten mit Beobachtungsdaten von der riesigen elliptischen Galaxie ESO 325-G004, die sich im Sternbild Centaurus in einer Entfernung von 465 Millionen Lichtjahren von der Sonne befindet. Sie verwendeten die Messwerte zweier Instrumente: die MUSE-Spektroskopie (Multi-Unit Spectroscopic Explorer) am Yepun-Teleskop (eines der vier Acht-Meter-Teleskope des VLT-Komplexes der Europäischen Südsternwarte auf dem Berg Cerro Paranal in Chile) und die ACS-Überwachungskamera (Advanced Camera for Untersuchungen des Hubble-Weltraumteleskops. Mit dem MUSE-Spektroskop konnten wir Daten über die Geschwindigkeiten der in ESO 325-G004 enthaltenen Sterne sammeln.und beurteile auf dieser Basis seine dynamische Masse (siehe Virialmasse). Die ACS-Kamera ermöglichte die Messung des Radius des Einstein-Rings (siehe Einstein-Ring), der aufgrund der Gravitationslinsen von der ESO 325-G004-Galaxie entstand, die von einem anderen Sternhaufen etwa 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Dieser Radius hängt von der Masse der Linsengalaxie ab, so dass ihre Definition es ermöglicht, diese Masse auf eine zweite und völlig unabhängige Weise zu schätzen. Das Verhältnis zwischen den beiden Massenschätzungen ist durch die Formel M gegebenLärm = (1 + γ) / 2 · MLinseneffekt. Es ist leicht zu sehen, dass für γ = 1 beide Schätzungen übereinstimmen, ansonsten sind sie verschieden. Es ist erwähnenswert, dass beide Messreihen aufgrund der vergleichbaren Nähe von ESO 325-G004 zu unserer Galaxie ziemlich genaue Ergebnisse lieferten.

Eine theoretische Analyse der gesammelten Daten zeigte, dass im Zentrum der ESO 325-G004 ein schwarzes Loch liegt, das 3,8 Milliarden Sonnenmassen anzieht. Aber es war sozusagen ein zusätzlicher Bonus. Viel wichtiger ist, dass der gemessene Zahlenwert des Parameters & ggr; im Bereich von 0,97 ± 0,09 liegt. Dieses Ergebnis ist gültig auf der Skala des Radius des Einstein-Rings, der in diesem Fall ungefähr 2 Kiloparsec betrug (ungefähr 6.000 Lichtjahre, der Winkelradius ist ungefähr drei Bogensekunden).Damit hat GR zum ersten Mal seine Anwendbarkeit in kosmischen Entfernungen dieser Ordnung bewiesen. Dieses Ergebnis erlaubt es, mehrere alternative Modelle der Dynamik des Universums auszusortieren.

Zwei Tage zuvor, am 20. Juni, in einer Zeitschrift Natur Ein Artikel einer internationalen Gruppe von Astronomen und Astrophysikern unter der Leitung von Fabrizio Nicastro vom Nationalen Astrophysikalischen Institut Italiens erschien. Vielleicht gelang es ihnen, das alte Rätsel zumindest teilweise zu lösen, das meist als das Problem fehlender Baryonen bezeichnet wird. Nach dem Standard-Kosmologischen Modell ist die Masse-Energie-Balance des Universums zu etwa 70% durch den Beitrag der Dunklen Energie und weitere 25% – zur Dunklen Materie gegeben. Die restlichen 5 Prozent der Substanz des Universums bestehen fast ausschließlich aus der Baryon-Komponente – den Kernen von Wasserstoff, Helium und schwereren Elementen (natürlich gibt es immer noch Elektronen, Neutrinos und Photonen, aber ihr Beitrag ist vernachlässigbar). Diese Schätzung erfolgt auf der Grundlage der Analyse der Schwankungen des Spektrums der Hintergrundstrahlung, die im neu geschaffenen Universum den Abdruck der Prozesse der primären Nukleosynthese tragen.Darüber hinaus zeigt die Untersuchung der optischen Spektren sehr entfernter Quasare überzeugend, dass alle "berechneten" Baryonen zu einem frühen Zeitpunkt der Evolution des Universums existierten, als ihr Alter 2-3 Milliarden Jahre nicht überstieg.

Dies ist jedoch der Punkt, an dem das Problem auftritt. Bis jetzt lieferte der vollständigste Bericht über baryonische Materie, die in der Sternmaterie, kaltem intragalaktischem Gas, galaktischen Halos und dem sogenannten warmen und heißen intergalaktischen Medium (warm-heißes intergalaktisches Medium, WHIM) enthalten ist, nur 61% der "berechneten" Baryonenmenge Sterne enthalten nur 7% ihrer Gesamtmasse). Es ist zwar möglich, nur die Substanz der Komponente der niedrigsten Temperatur (es ist warm genannt) von WHIM zu berücksichtigen, wo die Gastemperatur im Bereich von einhunderttausend bis einer halben Million Grad liegt. Aufgrund dieser "mäßigen" Erwärmung enthält diese Komponente eine unbedeutende Menge an neutralem Wasserstoff. Da seine Atome ihre Elektronen behalten, können sie Photonen unterschiedlicher Energien emittieren, die von astronomischen Instrumenten zuverlässig aufgenommen werden. Studien dieser Spektren, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die warme Komponente des WHIM etwa 15% der baryonischen Materie des Universums enthält – also etwa ein Viertel seiner gesamten Masse, die bisher entdeckt wurde.Ein sehr signifikantes Defizit von 39% blieb unentdeckt.

Im Jahr 2012 zwei der Autoren des Artikels in Diskussion Natur Charles Danforth und Michael Shull schlugen eine Lösung für dieses Problem vor. Sie deuteten an, dass die fehlenden Baryonen meist mit gigantischen Jets von sehr heißem (auf Millionen und Zigmillionen Grad erhitztem) Gas bedeckt waren, das galaktische Cluster und Superhaufen miteinander verband. Das Vorhandensein dieser Strahlen, der sogenannten Filamente, wird durch zahlreiche Beobachtungen zuverlässig nachgewiesen. Die Filamente sind mit der heißesten Komponente des WHIM gefüllt, die nahezu vollständig ionisierten Wasserstoff enthält.

Die vorgeschlagene Erklärung des beobachteten Baryon-Mangels ist trotz all seiner Überzeugungskraft nicht leicht nachzuweisen. Auf der einen Seite ist super-heißer Wasserstoff innerhalb der Filamente extrem spärlich (von 1 bis 10 Partikel pro Kubikmeter), und die Größen der Filamente sind relativ klein (1-10 Megaparsec). Andererseits können Protonen, die ohne Elektronen zurückbleiben, nicht die Quelle charakteristischer Linienspektren sein, die es ermöglichen, das Vorhandensein dieses Gases festzustellen. Die Filamente können jedoch Spuren von hochionisierten Atomen anderer Elemente enthalten, die einen Anteil von Elektronen in einem gebundenen Zustand enthalten.Diese Ionen können Strahlung mit ziemlich erkennbaren spektralen Eigenschaften erzeugen, die in der Ultraviolett- und / oder Röntgenstrahlzone liegen. Es stimmt, dass die erwartete Intensität solcher Signale extrem klein ist, so dass ihre Erkennung eine sehr schwierige Herausforderung für die Forscher darstellt.

Nun wurde diese Aufgabe dank der Apparatur des Europäischen Röntgenobservatoriums XMM-Newton zumindest teilweise gelöst. Nicastro und seine Kollegen haben mit seiner Hilfe Daten über die Strahlung eines sehr hellen Röntgenstrahls 1ES 1553 + 113 gesammelt, der für mindestens 2.200 Megaparsec (etwa 7 Milliarden Lichtjahre) von der Milchstraße entfernt ist. Auf dem Weg zur Erde passierte diese Strahlung zwei Filamente von intergalaktischem Heißgas, die sich in unterschiedlichen Entfernungen von unserer Galaxie befanden (ihre Rotverschiebung beträgt 0,36 und 0,43, Abb. 2). Durch Überqueren der Filamente überträgt er hochangeregte Sauerstoffatome in die angeregten Zustände, die nur ein Paar (anstelle der vorgeschriebenen acht) Elektronen enthalten. Diese Ionen mit Elektronen, die auf den höheren Energieniveaus aufgegeben wurden, erzeugten wiederum sekundäre Röntgenstrahlen, die das Observatorium aufzeichnete.Die Sammlung dieser Information, die 2015-17 durchgeführt wurde, dauerte sehr lange (1,75 Millionen Sekunden – fast 490 Stunden), was ein signifikantes Übermaß des Signals über das Rauschen ermöglichte. Die akkumulierten Daten erlaubten uns, die Konzentration von Sauerstoffionen im Filament zu bestimmen und auf dieser Basis seine Baryon-Komponente zu berechnen, aber in einem sehr breiten Wertebereich.

Abb. 2 Diagramm der Untersuchung des Blazar 1ES 1553 + 113 Spektrums. Spuren wurden in seiner Röntgenregion gefunden, die nach Ansicht der Wissenschaftler durch den Lichtfluss von Blazar durch zwei Filamente von intergalaktischem Heißgas verursacht wurde. Bild aus einer populären Synopse zum Artikel in der Diskussion Natur

Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Übertragung von Informationen über Wasserstoffionen und andere Elemente innerhalb dieser zwei Filamente auf den gesamten Raum 9 bis 40 Prozent der gesamten baryonischen Füllung des Universums ausmachen kann. Es ist leicht zu sehen, dass die obere Grenze dieses Segmentes fast genau dem beobachteten Baryon-Defizit entspricht, aber die untere Grenze ist viel geringer. Daher sind zusätzliche Beobachtungen notwendig,aber es gibt bereits einen guten Anfang.

Um fair zu sein, sollte angemerkt werden, dass die Annahmen, auf denen die Baryon-Dichte-Schätzung basiert, noch verfeinert werden müssen. Die Rotverschiebung von Blazar 1ES 1553 + 113 ist nur annähernd eingestellt, es ist nur bekannt, dass sie nicht kleiner als 0,41 sein kann. Dies lässt die Möglichkeit nicht außer Zweifel, dass sein Licht durch die nächste der beiden Filamente hindurchgeht, aber die Frage nach dem "Röntgen" eines entfernteren Filaments bleibt immer noch offen. Es ist auch möglich, dass die Strahlung von Blazar zumindest teilweise nicht von den Filamenten absorbiert wird, sondern von dem intragalaktischen Gas, aber Nicastro und seine Mitautoren halten diese Möglichkeit für unwahrscheinlich.

Im Allgemeinen gibt es noch viel Arbeit, aber ein Anfang ist gemacht worden. Nicastro und Mitglieder seines Teams planen, die Forschung mit Instrumenten des XMM-Newton-Observatoriums und des amerikanischen Chandra-Röntgenteleskops fortzusetzen. Die endgültige Lösung für das Problem des kosmischen Baryon-Mangels muss jedoch möglicherweise bis zum Start des Europäischen Weltraumobservatoriums Athena (erweitertes Teleskop für Hochenergie-Astrophysik), das für 2028 geplant ist, warten.

Quellen:
1) Thomas E. Collett, Lindsay J. Oldham, Russell J. Smith, Matthew W. Auger, Kyle B. Westfall, David Bacon, Robert C. Nichol, Karen L. Masters, Kazuya Koyama, Remco van den Bosch.Ein präziser extragalaktischer Test von General Relativity // Wissenschaft. 2018. DOI: 10.1126 / science.aao2469.
2) F. Nicastro, J. Kaastra, Y. Krongold, S. Borgani, E. Branchini, R. Cen, M. Dadina, CW Danforth, M. Elvis, F. Fiore, A. Gupta, S. Mathur, D Mayya, F. Paerels, L. Piro, D. Rosa-Gonzalez, J. Schaye, JM Shull, J. Torres-Zafra, N. Wijers & L. Zappacosta. Beobachtungen der Baryonen im warm-heißen intergalaktischen Medium // Natur. 2018. DOI: 10.1038 / s41586-018-0204-1.

Alexey Levin


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