Urme ale mișcării gazului în roiurile de galaxii, detectate în radiația cosmică de fond
O echipă de cercetători de la Universitatea Columbia a analizat datele radiației cosmice de fond cu microunde (CMB) și a găsit dovezi pentru un semnal care ar putea fi produs de mișcările interne ale gazului din roiurile de galaxii — aglomerări masive de galaxii ținute împreună de gravitație. Rezultatele, publicate în Physical Review Letters, întăresc indiciile anterioare privind acest fenomen și efectul cinetic rotațional Sunyaev-Zel’dovich (rkSZ), semnalat de alți astronomi.
Radiația cosmică de fond cu microunde este o lumină slabă care datează de la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang, cu mult înainte de apariția stelelor sau a galaxiilor. Detectarea acestei lumini și cartografierea fluctuațiilor ei oferă informații prețioase despre vârsta și compoziția universului.
Cum trădează gazul în mișcare radiația de fond
Gazul care se mișcă în interiorul roiurilor de galaxii lasă mai multe urme subtile asupra radiației cosmice de fond. Potrivit predicțiilor teoretice, acesta modifică ușor radiația, producând o schimbare de temperatură. Din cauza efectului Doppler, gazul care se apropie de observator face ca radiația să pară ceva mai caldă, iar cel care se îndepărtează o face să pară mai rece. Astfel, un roi a cărui axă de rotație este perpendiculară pe linia de vedere apare ușor mai cald pe partea care se apropie și mai rece pe partea care se îndepărtează, generând un model dipolar de-a lungul roiului.
Semnalul rezultat din curgerea gazului este de obicei prea slab pentru a fi detectat într-un singur roi de galaxii. De aceea, cercetătorii Samuel Goldstein și J. Colin Hill au aliniat și au mediato observațiile CMB colectate de la 25 de roiuri diferite care prezentau semne de mișcare internă, precum rotație și fuziuni. Fiecare dintre cele 25 de roiuri cuprindea cel puțin 50 de galaxii membre, înregistrate de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un amplu studiu astronomic dedicat cartografierii cerului.
O abordare nouă de analiză a datelor
Cercetătorii au prelucrat hărțile CMB obținute cu ajutorul satelitului Planck al Agenției Spațiale Europene pentru a reduce fluctuațiile fără legătură cu fenomenul studiat. Apoi au aliniat, au rescalat și au mediat hărțile radiației de fond din jurul celor 25 de roiuri. Axa de rotație a fiecărui roi a fost estimată pornind de la mișcările galaxiilor sale componente; decupajele hărții Planck au fost rotite astfel încât axele de rotație să coincidă și apoi mediate pentru toate cele 25 de roiuri.
Echipa a dezvoltat și câteva tehnici pentru a crește sensibilitatea analizei, inclusiv ponderarea optimă a fiecărui roi și folosirea datelor de polarizare pentru reducerea zgomotului din hărți. Studiul s-a bazat pe cercetări anterioare ale lui Eric Baxter și ale colaboratorilor săi de la Universitatea din Pennsylvania și de la alte instituții, care oferiseră primele indicii ale semnalului rkSZ. Noua analiză a extins eșantionul de roiuri și a introdus metode suplimentare de prelucrare a datelor.
Un semnal dipolar consistent cu rotația și fuziunile
În harta CMB combinată pe care au creat-o, cercetătorii au constatat că o parte a roiurilor apare mai caldă, iar cealaltă mai rece. Semnalul este compatibil cu efectul kSZ, o modificare minusculă a temperaturii radiației cosmice de fond cauzată de împrăștierea luminii pe electronii din gazul care se apropie sau se îndepărtează de observator. Echipa a raportat o evidență de 3,6σ pentru un semnal consistent cu mișcările de gaz asociate rotației și fuziunilor roiurilor de galaxii.
Potrivit autorilor, efectul kSZ a devenit recent un domeniu activ de cercetare, deoarece sondă impulsul gazului ionizat din întregul univers, care depinde atât de poziția gazului, cât și de viteza sa. Majoritatea analizelor de până acum s-au concentrat asupra distribuției gazului în și în jurul galaxiilor și roiurilor, în timp ce noua măsurătoare sondează mișcările gazului în interiorul roiurilor individuale și în sistemele aflate în fuziune. Semnalul detectat nu distinge însă rotația coerentă de alte mișcări interne de mică scară.
Perspective pentru observații viitoare
Metoda propusă de Goldstein și Hill deschide o cale promițătoare pentru studierea dinamicii roiurilor de galaxii prin analiza datelor CMB, iar alți astronomi ar putea să o extindă la un număr și mai mare de roiuri. Cercetătorii își exprimă interesul pentru căutarea acestui semnal cu date noi despre galaxii și despre radiația cosmică de fond, provenite de la Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), respectiv de la Simons Observatory (SO). Potrivit lor, aceste seturi de date ar trebui să permită distingerea rotației coerente de alte mișcări de gaz la scară mică, în special de cele provocate de fuziuni, iar tehnicile dezvoltate ar putea fi aplicate și pentru îmbunătățirea căutării altor efecte slabe în radiația cosmică de fond.
