Większość promieniowania gamma przychodzącego spoza Drogi Mlecznej jest emitowana przez gromady galaktyk i inne ogromne struktury. Takiego odkrycia dokonali uczeni z Uniwersytetu Columbia i Barnard College. Może to pomóc w wyjaśnieniu liczącej 30 lat tajemnicy pochodzenia tła gammowego i przyczynić się do uzyskania nowych informacji na temat powstawania struktur we Wszechświecie oraz o polu magnetycznym w ośrodku międzygalaktycznym.

Caleb Scharf z Uniwersytetu Columbia University oraz Reshmi Mukherjee z Barnard College opublikowali swoje wyniki w Astrophysical Journal. Okrycia dokonano analizując efekty dziewięcioletniej pracy wysłanego przez NASA satelity Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Badał on promieniowanie gamma docierające do naszej planety.

„Wyniki nie tylko odpowiadają na pytanie skąd przychodzi promieniowanie gamma ale dają także możliwość sprawdzenia modelu, w którym grawitacja gra główną rolę w powstawaniu struktur kosmicznych” – powiedział Scharf.

Promieniowanie gamma to fotony o największej energii i najmniejszej długości fali. W Drodze Mlecznej są one produkowane kiedy cząstki promieniowania kosmicznego poruszające się prawie z prędkością światła zderzają się z gazem międzygwiazdowym. Ich źródłem są również gwiazdy neutronowe i czarne dziury.

Gromady galaktyk to największe we Wszechświecie struktury, powstałe na skutek działania grawitacji. Mają masy dochodzące do tysięcy mas Drogi Mlecznej i wciąż zbierają materię z otaczającej je przestrzeni.

Ogłoszone we wtorek odkrycie wspiera teorię produkcji kwantów gamma zaproponowaną przez prof. Avi Loeba z Uniwersytetu Harvarda i prof. Eli Waxmana z Instytutu Weizmanna w Rehovot w Izraelu. Podobnie jak w przypadku czarnej dziury, potężna masa gromady rozpędza ściąganą materię do prędkości tysięcy kilometrów na sekundę. Dodatkowym czynnikiem rozpędzającym opadające elektrony jest pole magnetyczne. Cząstki te zderzają się następnie z fotonami mikrofalowego promieniowania tła, pozostałością po Wielkim Wybuchu.

Cząstki promieniowania tła wskutek takich zderzeń zwiększają swoją energie i stają się fotonami promieniowania gamma. Tworzą one halo wokół gromad galaktyk. Inni uczeni twierdzą jednak, że większość promieniowania gamma produkowana jest w obiektach zwanych blazarami napędzanych supermasywnymi czarnymi dziurami.

Gammowe tło zostało odkryte w początku lat siedemdziesiątych przez wystrzelonego przez NASA satelitę Small Astronomy Satellite (SAS-2).

Symulacja komputerowa pokazująca, co w przyszłości może zostać zaobserwowane przez obserwatoria promieniowania gamma – gromady galaktyk znajdujące się w halo promieniowania gamma. Naziemne obserwatorium promieniowania Czerenkowa MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) i kosmiczny teleskop GLAST (Gamma-ray Large Area Telescope) będa w stanie wykryć promieniowanie gamma z halo wokół gromad. Promieniowanie to powstaje, gdy elektrony rozpędzone do prędkości bliskiej prędkości światła zderzają się z fotonami kosmicznego promieniowania tła. Zdjęcie pochodzi z książki Uri Kesheta et al. „Gamma-Rays from Intergalactic Shocks”.

W swoich badaniach Scharf i Mukherjeem porównali katalog 2469 gromad galaktyk z bazą danych zebranych przez CGRO. Używając metod statystycznych pokazali oni, że niebo wokół najbardziej masywnych gromad jest systematycznie jaśniejsze niż w innych regionach.

„Im masywniejsza jest gromada (posiada większy potencjał grawitacyjny), tym jaśniejsze jest jej halo” – powiedział Mukherjee. „Zaobserwowana relacja jest bardzo podobna do tej, którą przewiduje teoria Loeb-Waxmana„.

Ogłoszone wyniki wspierają także teorię kosmicznej sieci. Uczeni uważają, że materia Wszechświata tworzy swego rodzaju sieć, w której galaktyki powstają wzdłuż włókien zwykłej i ciemnej materii. Gromady galaktyk powstają w miejscach przecięcia tych włókien. Elektrony napędzające powstawanie fotonów gamma wpadają do gromad wzdłuż tych właśnie włókien łączących galaktyki i gromady. W ten sposób promieniowanie gamma mówi nam wiele o wczesnym okresie powstawania struktur we Wszechświecie.

Promieniowanie gamma z halo wokół gromad pozwala też na pomiar natężeń międzygalaktycznych pól magnetycznych. Dwie z trzech zmiennych potrzebnych do takich pomiarów są znane: masa gromad galaktyk i rozkład promieniowania mikrofalowego. Trzecią zmienną jest rozkład elektronów, który może teraz być zmierzony przez obserwacje produkowanego promieniowania gamma.

W 2006 roku wystrzelony zostanie teleskop gammowy GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope). Powinien być w stanie obserwować halo wokół galaktyk z nieosiągalną dotąd rozdzielczością.