ESA的XMM-Newton揭示了缺少的同时性材料

牛顿发现失踪的星系间物质

天文学家们已经使用欧洲航天局的xmm -牛顿太空天文台(右下)来探测这一突发奇想。白色的盒子包裹着热气体的丝状结构,它代表了幻想的一部分。它是基于超过2亿光年的宇宙模拟。红色和橙色区域的密度最高,绿色区域的密度较低。这一发现是通过观察一个遥远的类星体而得出的。类星体是一个特大质量的黑洞,正在积极吞噬物质,从x射线到无线电波都在发出明亮的光芒(左上角)。研究小组发现,氧的信号位于天文台和类星体之间,沿着视线分布在两个不同的位置(在左下角用绿色和洋红色箭头表示的光谱中)。蓝色箭头是我们银河系中氮元素的特征。插图和构图:ESA / ATG媒体实验室;数据:ESA / XMM-Newton / F. Nicastro等人,2018;宇宙模拟:普林斯顿大学/岑任月

After a nearly twenty-year long game of cosmic hide-and-seek, astronomers using ESA’s XMM-Newton space observatory have finally found evidence of hot, diffuse gas permeating the cosmos, closing a puzzling gap in the overall budget of ‘normal’ matter in the Universe.

神秘的暗物质和暗能量分别构成了我们宇宙的25%和70%,而构成我们看到的一切——从恒星、星系到行星和人类——的普通物质仅占5%。

但即使是这5%的数据也很难追踪。

普通物质(天文学家称之为重子)的总量,可以通过对宇宙微波背景的观测来估计。宇宙微波背景是宇宙历史上最古老的光,可以追溯到公元后约38万年大爆炸

牛顿发现了星系间物质

这张图显示了热气体的丝状结构,它代表了热星系间介质(WHIM)的一部分。它是基于超过2亿光年的模拟。红色和橙色区域的密度最高,绿色区域的密度较低。普林斯顿大学/ Renyue岑

通过对遥远星系的观察,天文学家可以跟踪宇宙最初几十亿年里这种物质的演化。然而,在那之后,它的一半以上似乎失踪了。

“失踪的Baryons代表了现代天体物理学中最大的奥秘之一,”Fabrizio Nicastro,纸张的领先作者介绍了一个谜团,今天本质上发表的问题。Nicastro来自Inaf-Ousservatorio天文学迪罗马,意大利,以及哈佛 - 史密森安斯天体物理学中心(CFA)在剑桥,质量。

“我们知道这种物质一定存在,我们在宇宙早期就看到了它,但之后我们就无法再掌握它了。它去哪儿了?”

计算整个宇宙中星系中的恒星数量,再加上弥漫在星系中的星际气体——创造恒星的原材料——只能得到所有普通物质的10%。把包围星系的晕中炽热弥散的气体和充满星系团的更热的气体加起来,星系团是由引力凝聚在一起的最大的宇宙结构,使这个比例上升到不到20%。

这并不奇怪:恒星、星系和星系团形成于宇宙网中最密集的结点,这是贯穿整个宇宙的暗物质和普通物质的丝状分布。虽然这些地点密度很大,但也很罕见,所以不是寻找大部分宇宙物质的最佳地点。

天文学家发现缺少的间歇性材料

神秘的暗物质和黑暗能量分别占据了约25%和70%的宇宙,普通物质构成了我们所看到的一切,包括星系,星星和行星 - 只有大约五个百分点。然而,宇宙中的星系中的星星只占所有普通物质的七倍,渗透到星系和银河系中的寒冷和热的星际气体只占11%的账户。大多数宇宙的普通物质,或重组,潜伏在宇宙网中,宽阔的宇宙丝绸和普通物质的丝状分布在整个宇宙中。在过去的天文学家中,能够定位这种间同期材料的凉爽和温暖部位的好块(总共约43%)。天文学家现在已经使用了ESA的XMM-Newton空间天文台,以沿着视线检测这种间隔物质的热部件到Quasar。在这些观测中检测到的热晶间气体的量占宇宙中所有Baryons的40%,依赖于宇宙中普通物质的总预算中的差距。esa.

天文学家怀疑“失踪”的Baryons必须在这种宇宙网的无处不在的细丝中潜伏,然而,重要的是少密集,因此更具挑战性观察。多年来,使用不同的技术,他们能够找到这种间歇性材料的好块 - 主要是它的凉爽和温暖的组成部分 - 将总预算带到60%的尊重,但留下整体神秘仍未解决。

Nicastro和世界各地的许多其他天文学家都在剩下的拉里森赛道上几乎是近二十年的轨道,因为X射线观测者如ESA的XMM-Newton和美国国家航空航天局美国的钱德拉x射线天文台向科学界开放。

通过观测这部分电磁波谱,他们可以探测到温度在100万度左右或更高的炽热的星系间气体,这些气体正在阻挡来自更远的源发出的x射线。

对于这个项目,Nicastro和他的合作者使用了XMM-Newton来看看一Quasar - 一种巨大的星系,具有超级分类黑洞它的中心活跃地吞噬着物质,从x射线到无线电波都在发出明亮的光芒。他们观测了这颗类星体,它发出的光需要40亿年才能到达地球,总共18天,从2015年到2017年,这是对此类源进行的最长的x射线观测。

“通过数据梳理后,我们成功地发现了美国和遥远的Quasar之间的炎热的氧气签名,在沿着视线的两个不同的位置,”Nicastro说。

“之所以会发生这种情况,是因为那里储存了大量的物质,包括氧气,而这些物质的数量正是我们所期望的,所以我们最终可以缩小宇宙重子收支的差距。”

这种非凡的结果是新任务的开始。需要观察天空中的不同来源,以确认这些发现是否真正普遍,并进一步调查这种长寻求的物理状态。

法布里齐奥和他的同事们计划在未来几年用xmm -牛顿和钱德拉研究更多的类星体。然而,要充分探索这种所谓的热热星系间介质的分布和特性,就需要更灵敏的仪器,比如欧洲航天局的雅典娜(Athena),这是一种用于高能天体物理学的高级望远镜,计划于2028年发射。

“用xmm -牛顿发现失踪的重子是充分描述这些重子被发现的环境和结构的令人兴奋的第一步,”来自荷兰空间研究所的合著者Jelle Kaastra说。

“下一步,我们将需要雅典娜号更高的灵敏度,雅典娜号的主要目标之一是研究温暖的星系间介质,以提高我们对宇宙历史中结构如何增长的理解。”

“这使我们非常自豪地XMM-牛顿能够发现这种长难以捉摸的材料的弱势信号,隐藏在一百万度的热雾中,延伸到数十万光年的间歇空间,”诺伯特·施塔尔说:诺伯特·斯科尔斯说-Newton在ESA项目科学家。

“现在我们知道这些Baryons不再丢失,我们迫不及待地想要更详细地研究它们。”

出版:F. Nicastro等,“在温暖的星系间介质中失踪重子的观察”,《自然》第558卷第406-409页(2018年)

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