Op het spoor van een mysterieuze kracht in de ruimte – Wetenschappers hebben een nieuw licht geworpen op donkere energie

Een voorlopige studie van donkere energie met behulp van eROSITA geeft aan dat het gelijkmatig is verspreid over ruimte en tijd.

Edwin Hubble’s observatie van verre sterrenstelsels in de jaren 1920 leidde tot de baanbrekende conclusie dat ons universum uitdijt. Het duurde echter tot 1998 voordat wetenschappers die Type Ia supernova’s bestudeerden een verrassende ontdekking deden. En ze ontdekten dat het heelal niet alleen groeide, maar ook versnelde.

“Om deze versnelling te verklaren, hebben we een bron nodig”, zegt Joe Mohr, een astrofysicus bij LMU. “We verwijzen naar deze bron als ‘donkere energie’, die een soort ‘anti-zwaartekracht’ biedt om de kosmische expansie te versnellen.”

Wetenschappelijk gezien is het bestaan ​​van donkere energie en kosmische versnelling een verrassing, en dit geeft aan dat ons huidige begrip van de natuurkunde onvolledig of onjuist is. Het belang van de exponentiële expansie werd benadrukt in 2011 toen de ontdekkers de Nobelprijs voor natuurkunde ontvingen.

“Ondertussen is de aard van donkere energie het volgende Nobelprijswinnende probleem geworden”, zegt Mohr.

I-Non Chiu van de National Cheng Kung University in Taiwan heeft in samenwerking met LMU-astrofysici Matthias Klein, Sebastien Bouquet en Joe Mohr nu de eerste studie van donkere energie gepubliceerd met behulp van de eROSITA-röntgentelescoop, die zich richt op clusters van sterrenstelsels.

De antizwaartekracht die donkere energie zou veroorzaken, duwt objecten van elkaar weg en stopt de vorming van grote kosmische lichamen die zich anders zouden vormen door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Als zodanig beïnvloedt donkere energie waar en hoe de grootste objecten in het universum worden gevormd – clusters van sterrenstelsels met een totale massa variërend van 1013 tot 1015 zonsmassa’s.

“We kunnen veel leren over de aard van donkere energie door het aantal clusters van sterrenstelsels te tellen dat zich in het universum vormt als een functie van de tijd – of in het waarneembare universum als een functie van roodverschuiving”, legt Klein uit.

Clusters van sterrenstelsels zijn echter uiterst zeldzaam en moeilijk te vinden, waardoor scans van een groot deel van de hemel nodig zijn met ’s werelds meest gevoelige telescopen. Daartoe werd in 2019 de eROSITA röntgenruimtetelescoop – een project geleid door het Max Planck Instituut voor buitenaardse fysica (MPE) in München – gelanceerd om de lucht te scannen op zoek naar clusters van sterrenstelsels.

In de eROSITA Final Tropical Depth Survey (eFEDS), een kleine enquête die is ontworpen om de prestaties van de All-Sky daaropvolgende enquête te verifiëren, werden ongeveer 500 clusters van melkwegstelsels gevonden. Dit vertegenwoordigt een van de grootste voorbeelden van clusters van melkwegstelsels met een lage massa tot nu toe en omvat de afgelopen 10 miljard jaar kosmische evolutie.

Voor hun studie gebruikten Chiu en collega’s een aanvullende gegevensset bovenop eFEDS-gegevens – fotometrische gegevens van Subaru’s strategische Hyper Suprime-Cam-programma, dat wordt geleid door de astronomische gemeenschappen in Japan en Taiwan, en[{” attribute=””>Princeton University.

The former LMU doctoral researcher I-Non Chiu and his LMU colleagues used this data to characterize the galaxy clusters in eFEDS and measure their masses using the process of weak gravitational lensing. The combination of the two datasets enabled the first cosmological study using galaxy clusters detected by eROSITA.

Their results show that, through comparison between the data and theoretical predictions, dark energy makes up around 76% of the total energy density in the universe. Moreover, the calculations indicated that the energy density of dark energy appears to be uniform in space and constant in time.

“Our results also agree well with other independent approaches, such as previous galaxy cluster studies as well as those using weak gravitational lensing and the cosmic microwave background,” says Bocquet. So far, all pieces of observational evidence, including the latest results from eFEDS, suggest that dark energy can be described by a simple constant, usually referred to as the ‘cosmological constant.’

“Although the current errors on the dark energy constraints are still larger than we would wish, this research employs a sample from eFEDS that after all occupies an area less than 1% of the full sky,” says Mohr. This first analysis has thus laid a solid foundation for future studies of the full-sky eROSITA sample as well as other cluster samples.

Reference: “Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey” by I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr and Sebastian Bocquet, 21 April 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad957