Najstarsze światło Wszechświata zdradza ruchy gazu w gromadach galaktyk

Mikrofalowe promieniowanie tła to najstarsze światło Wszechświata, które po drodze do nas mijało wiele gromad galaktyk. Dwaj fizycy z Uniwersytetu Columbia odczytali z niego ślady ruchów gazu wewnątrz tych gigantów, w tym prawdopodobnie ich obrotu. To najmocniejsze dotąd świadectwo takiego zjawiska, choć wciąż nie przesądza ono, czy mamy do czynienia z uporządkowaną rotacją.

Światło, które przeszło przez gromady

Mikrofalowe promieniowanie tła (CMB) powstało około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, na długo przed pierwszymi gwiazdami i galaktykami. Od tamtej pory jego fotony wędrują przez Wszechświat i po drodze trafiają na gromady galaktyk, czyli największe struktury związane grawitacyjnie. Gromada to setki, a nawet tysiące galaktyk we wspólnym halo ciemnej materii, a przestrzeń między nimi wypełnia gorący, zjonizowany gaz.

Fotony tła rozpraszają się na swobodnych elektronach tego gazu. Zjawisko to nazywa się efektem Siuniajewa-Zeldowicza i ma dwie odmiany. Odmiana termiczna wynika z energii samych elektronów. Odmiana kinematyczna wynika z ruchu gazu jako całości. Dzięki efektowi Dopplera foton rozproszony na gazie zbliżającym się do nas wydaje się nieco cieplejszy, a rozproszony na gazie oddalającym się nieco chłodniejszy.

Gdy gromada się obraca

Jeśli gaz w gromadzie rotuje, a oś obrotu jest prostopadła do kierunku obserwacji, jedna strona gromady zbliża się do nas, a druga oddala. Na mapie tła powinien więc pojawić się dipol: jedna połowa obrazu odrobinę cieplejsza, druga odrobinę chłodniejsza. Zjawisko to nazywa się rotacyjnym kinematycznym efektem SZ (rkSZ).

Dla pojedynczej gromady sygnał jest tak słaby, że ginie w szumie. Wcześniejsze próby, na przykład analiza Erica Baxtera, Blake’a Sherwina i Srinivasana Raghunathana z 2019 roku, dawały poparcie na poziomie około 2σ. To zbyt mało, by mówić o wykryciu.

25 gromad na jednym obrazie

Samuel Goldstein i J. Colin Hill zastosowali uśrednianie. Wybrali 25 gromad wykazujących oznaki ruchów wewnętrznych, takich jak rotacja czy zlewanie się z inną gromadą. Oś obrotu każdej z nich oszacowali z ruchów należących do niej galaktyk. Następnie z mapy tła zarejestrowanej przez satelitę Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej (misja zakończyła obserwacje w 2013 roku) wycięli fragmenty wokół tych gromad. Obrócili je tak, by osie obrotu się pokrywały, i uśrednili.

Po uśrednieniu wyłonił się wyraźny dipol temperatury. Spośród losowych zestawów map tylko około 0,02% daje dipol równie silny jak zmierzony, co odpowiada istotności 3,6σ.

Co z tego wynika, a czego jeszcze nie wiadomo

Autorzy mówią o pierwszym solidnym świadectwie rkSZ i wskazują, że wynik wzmacnia wcześniejsze poszlaki. Warto jednak pamiętać, że 3,6σ leży poniżej umownego progu odkrycia, czyli 5σ. Co ważniejsze, sygnał jest zgodny z ruchem gazu wynikającym z rotacji i zlewania się gromad, ale nie pozwala odróżnić uporządkowanego obrotu od innych ruchów wewnętrznych, na przykład turbulencji.

Dla kosmologów ma to znaczenie praktyczne. Masy gromad szacuje się między innymi z własności gazu, a jego wewnętrzne ruchy mogą te oceny zaburzać. Zespół zamierza zastosować tę samą metodę do danych z przeglądu DESI i z Simons Observatory (obserwatorium mikrofalowego w Chile), żeby rozstrzygnąć, ile w sygnale jest rotacji, a ile chaosu. Jeśli metoda się sprawdzi, mapa najstarszego światła posłuży też do badania dynamiki największych struktur Wszechświata.

Źródła

GŁÓWNE:

• phys.org, Cosmic microwave background offers evidence of gas flowing in galaxy clusters,
• S. Goldstein, J. C. Hill, Evidence of Galaxy Cluster Rotation and Intrahalo Gas Motions in the Cosmic Microwave Background,

Kontekstowe:

• E. J. Baxter, B. D. Sherwin, S. Raghunathan, JCAP (2019),
• T. Yang i in., możliwe wykrycie rotacji gazu w grupach galaktyk (preprint, 2026),
• Universe Space Tech, omówienie wyniku (29 października 2026)

Opracowanie: Agnieszka Nowak