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Tracing the Universe: new data from the XXL survey support the standard cosmological model

The ESA’s XMM-Newton X-ray observatory has been busy with the XXL survey, its largest observational programme to date. The second batch of data has just been released, including information on 365 galaxy clusters. The data provided a new strong confirmation of the standard cosmological scenario.
Multi-wavelength view of one of the XXL galaxy clusters: XLSSC006. Credit: ESA/XMM-Newton (X-rays, in purple); CFHT (optical); XXL Survey

https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833238

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DIFA authors: F. Marulli (DIFA/INAF-BO/INFN-BO), M. Sereno (DIFA/INAF-BO), L. Moscardini (DIFA/INAF-BO/INFN-BO), A. Cappi (INAF-BO), S. Ettori (INAF-BO/INFN-B).

X-rays are produced in some of the most energetic processes in the Universe, but since they are blocked by Earth’s atmosphere, they can only be observed from space. When X-ray telescopes observe the extragalactic Universe, they basically see two sources: the hot gas pervading clusters of galaxies, and Active Galactic Nuclei (AGN) – bright, compact regions at the centres of some galaxies where a supermassive black hole is accreting the surrounding matter. ESA’s XMM-Newton is one of the most powerful X-ray telescopes ever placed in orbit. Over the last eight years, it has spent 2000 hours measuring X-ray radiation as part of the XXL survey, the largest programme carried out by the XMM-Newton satellite, which searched for galaxy clusters and AGN by scanning two areas of seemingly-empty sky, each measuring 25 square degrees.

The first set of XXL data was released in 2015; it included 100 of the brightest galaxy clusters and 1000 AGN. Now the second release has been published, containing an astonishing sample of 365 clusters and 26000 AGN. The first scientific results exploiting these data have been published in a special issue of Astronomy & Astrophysics. In particular, a scientific analysis coordinated by Federico Marulli, researcher at DIFA, focused on the clustering properties of the XXL galaxy cluster sample. Matter in the Universe is not evenly distributed, but forms a cosmic web of filaments shaped by gravity, with galaxy clusters found at their intersections. Galaxy clusters are the largest bound entities in the Universe, tracing the highest density peaks in its large-scale structure. Thanks to an accurate statistical analysis of the spatial properties of the XXL clusters, it has been possible to provide a new measurement of the dark matter density contrast and of the bias function, which describes the relation between luminous and dark matter. The distribution of XXL clusters is found to be compatible with the currently favoured cosmological model.

The cosmic web will be probed further by ESA’s future Euclid satellite, which will observe light emitted up to 10 billion years ago. Euclid will see a huge number of sources, as it will detect optical and infrared light; with its large surveyed area and rich multi-wavelength coverage, the XXL data will serve as a reference for these observations. In the meantime, scientists in the XXL collaboration plan to process the remaining observations and to review the data using improved processing techniques. The final XXL data release containing even more X-ray sources, as well as the complete cosmological analysis, is foreseen for 2021.

Nuove misure delle proprietà spaziali di ammassi di galassie selezionati ai raggi X forniscono un’ulteriore conferma del modello cosmologico standard

Il telescopio spaziale XMM-Newton è stato recentemente impegnato nella realizzazione del progetto XXL, il suo più grande programma di osservazione. Sono stati ora resi pubblici nuovi dati, tra cui un catalogo di 365 ammassi di galassie, le cui proprietà confermano il modello cosmologico standard.

I raggi X sono prodotti in alcuni dei processi più energetici dell'Universo, ma poiché sono ostacolati dall'atmosfera terrestre, possono essere osservati solo con telescopi spaziali. Quando i telescopi a raggi X osservano l'Universo extra-galattico, fondamentalmente vedono due tipi di sorgenti: il gas caldo intergalattico degli ammassi di galassie, e i nuclei galattici attivi (AGN) - regioni luminose e compatte al centro di alcune galassie in cui un buco nero supermassiccio accresce la materia circostante. Il telescopio XMM-Newton dell'ESA è una delle più potenti strumentazioni a raggi X mai messe in orbita. Negli ultimi otto anni, ha impiegato 2000 ore misurando le radiazioni a raggi X per la missione XXL, che ha cercato ammassi di galassie e AGN scansionando due aree di cielo apparentemente vuote, ciascuna delle quali misura 25 gradi quadrati.

La prima serie di dati XXL, rilasciata nel 2015, includeva 100 dei più brillanti ammassi di galassie e 1000 AGN. Ora è stato pubblicato un nuovo catalogo di dati contenente 365 ammassi di galassie e 26000 AGN. I primi risultati scientifici ottenuti grazie a questi dati sono stati recentemente pubblicati in un numero speciale della rivista Astronomy & Astrophysics. In particolare, un’analisi scientifica coordinata da Federico Marulli, ricercatore del DIFA, ha riguardato lo studio delle proprietà spaziali degli ammassi di galassie XXL. Nell'Universo, la materia non è distribuita uniformemente, ma forma una sorta di ragnatela cosmica di filamenti plasmati dalla gravità, con ammassi di galassie posizionati nei nodi della ragnatela. Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture gravitazionalmente legate e tracciano i più alti picchi di densità nella struttura su grande scala dell'Universo, fornendo uno strumento fondamentale di indagine cosmologica. Grazie ad un’accurata analisi statistica delle proprietà spaziali degli ammassi di galassie XXL è stato possibile ottenere una nuova misura della densità di materia oscura dell’Universo e della funzione che descrive la relazione tra la distribuzione spaziale della materia luminosa e quella della materia oscura. La struttura a grande scala dell’Universo locale tracciata dagli ammassi di galassie XXL è risultata in accordo con le previsioni del modello cosmologico standard.

La ragnatela cosmica sarà ulteriormente sondata dal satellite Euclid dell'ESA, che osserverà galassie la cui luce è stata emessa fino a 10 miliardi di anni fa. Euclid permetterà l’analisi di un numero enorme di sorgenti, rivelando sia la radiazione in banda ottica che infrarossa. Gli scienziati potranno utilizzare i dati dell’indagine XXL per verificare quali tra gli ammassi di galassie identificati da Euclid sono veri ammassi di galassie. Nel frattempo, gli scienziati di XXL progettano di processare le osservazioni rimanenti e analizzare i dati utilizzando tecniche di elaborazione sempre più avanzate. Il rilascio finale dei dati di XXL, contenente un numero ancor più alto di sorgenti di raggi X, così come l'analisi cosmologica completa, sono previsti per il 2021.