Stosując najnowocześniejszą informatykę do wielu nowych danych astronomicznych, naukowcy z Sloan Digital Sky Survey (SDSS) poinformowali dziś o pierwszym solidnym wykryciu kosmicznego powiększenia w dużych skalach, prognozy ogólnej teorii względności Einsteina zastosowanej do rozkładu galaktyk , ciemna materia i odległe kwazary.
Odkrycia te, zaakceptowane do publikacji w The Astrophysical Journal, wyszczególniają subtelne zniekształcenia, jakie przechodzi światło, gdy podróżuje z odległych kwazarów przez sieć ciemnej materii i galaktyk, zanim dotrze do obserwatorów tutaj na Ziemi.
Odkrycie SDSS kończy dwuletnią niezgodę między wcześniejszymi pomiarami powiększenia a innymi kosmologicznymi testami zależności między galaktykami, ciemną materią i ogólną geometrią wszechświata.
„Zniekształcenie kształtów galaktyk tła z powodu soczewkowania grawitacyjnego zostało po raz pierwszy zaobserwowane ponad dekadę temu, ale nikt nie był w stanie niezawodnie wykryć części powiększenia sygnału soczewki”, wyjaśnia główny badacz Ryan Scranton z University of Pittsburgh.
Gdy światło przebywa 10 miliardów lat podróży z odległego kwazara, jest ono odchylane i skupiane przez przyciąganie grawitacyjne ciemnej materii i galaktyk, efekt znany jako soczewkowanie grawitacyjne. Badacze SDSS ostatecznie zmierzyli niewielkie rozjaśnienie lub „powiększenie” kwazarów i powiązali efekt z gęstością galaktyk i ciemnej materii wzdłuż ścieżki światła kwazara. Zespół SDSS wykrył to powiększenie w jasności 200 000 kwazarów.
Chociaż soczewkowanie grawitacyjne jest fundamentalną prognozą ogólnej teorii względności Einsteina, odkrycie współpracy SDSS dodaje nowy wymiar.
„Obserwacja efektu powiększenia jest ważnym potwierdzeniem podstawowej prognozy teorii Einsteina” - wyjaśnił współpracownik SDSS, Bob Nichol z University of Portsmouth (Wielka Brytania). „Daje nam również kluczową kontrolę spójności standardowego modelu opracowanego w celu wyjaśnienia wzajemnego oddziaływania galaktyk, gromad galaktyk i ciemnej materii”.
Astronomowie od dwudziestu lat próbują zmierzyć ten aspekt soczewkowania grawitacyjnego. Jednak sygnał powiększenia jest bardzo małym efektem - tak niewielkim, jak kilka procent wzrostu światła padającego z każdego kwazara. Wykrywanie tak małej zmiany wymagało bardzo dużej próbki kwazarów z precyzyjnymi pomiarami ich jasności.
„Podczas gdy wiele grup zgłaszało wykrycia kosmicznego powiększenia w przeszłości, ich zestawy danych nie były wystarczająco duże lub wystarczająco dokładne, aby umożliwić ostateczny pomiar, a wyniki były trudne do pogodzenia ze standardową kosmologią”, dodał Brice Menard, badacz z Institute for Advanced Study w Princeton, NJ.
Przełom nastąpił na początku tego roku przy użyciu dokładnie skalibrowanej próbki 13 milionów galaktyk i 200 000 kwazarów z katalogu SDSS. W pełni cyfrowe dane dostępne z SDSS rozwiązały wiele problemów technicznych, które nękały wcześniejsze próby pomiaru powiększenia. Jednak kluczem do nowego pomiaru było opracowanie nowego sposobu znajdowania kwazarów w danych SDSS.
„Wzięliśmy najnowocześniejsze pomysły ze świata informatyki i statystyki i zastosowaliśmy je w naszych danych” - wyjaśnił Gordon Richards z Princeton University.
Richards wyjaśnił, że dzięki zastosowaniu nowych technik statystycznych naukowcy z SDSS byli w stanie wyodrębnić próbkę kwazarów 10 razy większą niż konwencjonalne metody, umożliwiając niezwykłą precyzję wymaganą do znalezienia sygnału powiększenia. „Nasze wyraźne wykrycie sygnału soczewkowania nie byłoby możliwe bez tych technik”, podsumował Richards.
Ostatnie obserwacje na dużą skalę rozmieszczenia galaktyk, kosmicznego mikrofalowego tła i odległych supernowych doprowadziły astronomów do opracowania „standardowego modelu” kosmologii. W tym modelu widoczne galaktyki reprezentują jedynie niewielki ułamek całej masy wszechświata, a pozostała część składa się z ciemnej materii.
Jednak pogodzenie wcześniejszych pomiarów sygnału powiększenia kosmicznego z tym modelem wymagało przyjęcia nieprawdopodobnych założeń dotyczących rozkładu galaktyk względem dominującej ciemnej materii. Doprowadziło to niektórych do wniosku, że podstawowy obraz kosmologiczny był niepoprawny lub przynajmniej niespójny. Jednak bardziej precyzyjne wyniki SDSS wskazują, że poprzednie zestawy danych prawdopodobnie nie sprostały wyzwaniu pomiaru.
„Dzięki jakościowym danym z SDSS i naszej znacznie lepszej metodzie wyboru kwazarów, rozwiązaliśmy ten problem”, powiedział Scranton. „Nasze pomiary są zgodne z resztą tego, co mówi nam wszechświat, a dokuczliwe spory zostają rozwiązane”.
„Teraz, gdy wykazaliśmy, że możemy dokonać wiarygodnego pomiaru kosmicznego powiększenia, następnym krokiem będzie wykorzystanie go jako narzędzia do badania interakcji między galaktykami, ciemną materią i światłem w znacznie bardziej szczegółowy sposób”, powiedział Andrew Connolly University of Pittsburgh.
Oryginalne źródło: SDSS News Release
