Jedno z najciekawszych i najważniejszych pytań w kosmologii brzmi: „Ile materii istnieje we wszechświecie?” Międzynarodowemu zespołowi, w skład którego wchodzą naukowcy z Uniwersytetu Chiba, udało się już po raz drugi zmierzyć całkowitą ilość materii. Donosząc w The Astrophysical Journal, zespół ustalił, że materia stanowi 31% całkowitej ilości materii i energii we wszechświecie, a pozostałą część stanowi ciemna energia.
„Kosmolodzy uważają, że tylko około 20% całej materii składa się z materii regularnej, czyli „barionowej”, do której zaliczają się gwiazdy, galaktyki, atomy i życie” – wyjaśnia pierwszy autor, dr Mohamed Abdullah, badacz z Narodowego Instytutu Badawczego im. Astronomia i Geofizyka – Egipt, Uniwersytet Chiba, Japonia. „Około 80% składa się z ciemnej materii, której tajemnicza natura nie jest jeszcze znana, ale może składać się z nieodkrytych jeszcze cząstek subatomowych”.
„Zespół zastosował dobrze sprawdzoną technikę, aby określić całkowitą ilość materii we wszechświecie, polegającą na porównaniu zaobserwowanej liczby i masy gromad galaktyk na jednostkę objętości z przewidywaniami wynikającymi z symulacji numerycznych” – mówi współautorka Gillian Wilson, Abdullah’s były doradca absolwentów i profesor fizyki oraz prorektor ds. badań, innowacji i rozwoju gospodarczego na Uniwersytecie Kalifornijskim Merced. „Liczba obserwowanych obecnie gromad, tzw. obfitość gromad, jest bardzo wrażliwa na warunki kosmologiczne, a w szczególności na całkowitą ilość materii”.
„Większy procent całkowitej materii we wszechświecie spowodowałby powstanie większej liczby gromad” – mówi Anatolij Klypin z Uniwersytetu Wirginii. „Ale trudno jest dokładnie zmierzyć masę jakiejkolwiek gromady galaktyk, ponieważ większość materii jest ciemna i nie możemy jej zobaczyć bezpośrednio za pomocą teleskopów”.
Aby przezwyciężyć tę trudność, zespół był zmuszony użyć pośredniego znacznika masy gromady. Opierali się na fakcie, że bardziej masywne gromady zawierają więcej galaktyk niż mniej masywne gromady (relacja bogactwa masy: MRR). Ponieważ galaktyki składają się ze świecących gwiazd, liczbę galaktyk w każdej gromadzie można wykorzystać do pośredniego określenia jej całkowitej masy. Mierząc liczbę galaktyk w każdej gromadzie w próbce z Sloan Digital Sky Survey, zespół był w stanie oszacować całkowitą masę każdej z gromad. Następnie byli w stanie porównać zaobserwowaną liczbę i masę gromad galaktyk na jednostkę objętości z przewidywaniami wynikającymi z symulacji numerycznych. Najlepiej dopasowane obserwacje i symulacje dotyczyły Wszechświata składającego się z 31% całkowitej materii, co doskonale zgadzało się z wartością uzyskaną na podstawie obserwacji mikrofalowego tła kosmicznego (CMB) z satelity Planck. Warto zauważyć, że CMB jest techniką całkowicie niezależną.
„Udało nam się dokonać pierwszego pomiaru gęstości materii za pomocą MRR, co doskonale zgadza się z pomiarem uzyskanym przez zespół Plancka przy użyciu metody CMB” – mówi Tomoaki Ishiyama z Uniwersytetu Chiba. „Ta praca dodatkowo pokazuje, że liczebność gromad jest konkurencyjną techniką ograniczania parametrów kosmologicznych i uzupełnia techniki nieklastrowe, takie jak anizotropie CMB, akustyczne oscylacje barionowe, supernowe typu Ia lub soczewkowanie grawitacyjne”.
Zespół uznaje swoje osiągnięcie za pierwsze, które z powodzeniem wykorzystało spektroskopię – technikę rozdzielającą promieniowanie na spektrum pojedynczych pasm lub kolorów, aby precyzyjnie określić odległość do każdej gromady i prawdziwych galaktyk składowych, które są grawitacyjnie związane z gromadą, a nie intruzi z tła lub pierwszego planu wzdłuż linii wzroku. Poprzednie badania, w których próbowano wykorzystać technikę MRR, opierały się na znacznie bardziej prymitywnych i mniej dokładnych technikach obrazowania, takich jak zdjęcia nieba wykonane przy pewnych długościach fal, w celu określenia odległości do każdej gromady i pobliskich galaktyk, które były prawdziwymi członkami.