Don Lincoln jest starszym naukowcem w amerykańskim Departamencie Energii Fermilab, największej w kraju instytucji badawczej Large Hadron Collider. Pisze także o nauce dla społeczeństwa, w tym o swoim ostatnim „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które oszaleją„(Johns Hopkins University Press, 2014). Możesz śledzić go dalejFacebook. Lincoln wniósł ten artykuł do Live Science'sGłosy ekspertów: Op-Ed i statystyki.
Odkąd prowadzimy rejestr, ludzkość zachwyca się nocnym niebem. Patrzyliśmy na niebo, aby określić wolę bogów i zastanawiać się nad znaczeniem tego wszystkiego. Zaledwie 5000 gwiazd, które możemy zobaczyć nieuzbrojonym okiem, towarzyszy ludzkości od tysiącleci.
Nowoczesne obiekty astronomiczne pokazały nam, że wszechświat nie składa się tylko z tysięcy gwiazd - składa się z setek miliardów gwiazd w samej naszej galaktyce, z trylionami galaktyk. Obserwatoria nauczyły nas o narodzinach i ewolucji wszechświata. A 3 sierpnia nowy obiekt ogłosił pierwsze merytoryczne oświadczenie i poszerzył nasze rozumienie kosmosu. Pozwala nam zobaczyć to, co niewidzialne, i pokazało, że rozkład materii we wszechświecie różni się nieco od oczekiwań.
Dark Energy Survey (DES) to współpraca około 400 naukowców, którzy podjęli pięcioletnią misję badania odległych galaktyk w celu udzielenia odpowiedzi na pytania dotyczące historii wszechświata. Wykorzystuje kamerę Dark Energy Camera (DEC) przymocowaną do 4-metrowego teleskopu Victora M. Blanco w Obserwatorium Międzyamerykańskim Cerro Tololo w Andach chilijskich. DEC został zamontowany w USA w Fermilab niedaleko Batavia w stanie Illinois i jest 570-megapikselowym aparatem zdolnym do obrazowania galaktyk tak daleko, że ich światło jest milionowe tak jasne jak najciemniejsze widoczne gwiazdy.
Ciemna energia i ciemna materia
DES poszukuje ciemnej energii, która jest proponowanym polem energii we wszechświecie, która jest odpychającą formą grawitacji. Podczas gdy grawitacja wywiera nieodparty pociąg, ciemna energia popycha wszechświat do ekspansji w coraz większym tempie. Jego działanie zaobserwowano po raz pierwszy w 1998 roku i nadal mamy wiele pytań dotyczących jego natury.
Jednak mierząc lokalizację i odległość 300 milionów galaktyk na południowym nocnym niebie, badanie będzie w stanie przedstawić ważne oświadczenia o innej tajemnicy astronomicznej, zwanej ciemną materią. Uważa się, że ciemna materia występuje we wszechświecie pięć razy częściej niż zwykła materia. Jednak nie wchodzi w interakcje ze światłem, falami radiowymi ani żadną inną energią elektromagnetyczną. I wydaje się, że nie gromadzi się w celu utworzenia dużych ciał, takich jak planety i gwiazdy.
Nie ma sposobu, aby bezpośrednio zobaczyć ciemną materię (stąd nazwa). Jednak jego efekty można zobaczyć pośrednio, analizując szybkość obracania się galaktyk. Jeśli obliczysz prędkości obrotowe obsługiwane przez widoczną masę galaktyk, odkryjesz, że obracają się one szybciej niż powinny. Według wszelkich praw, galaktyki te należy rozerwać na części. Po dziesięcioleciach badań astronomowie doszli do wniosku, że każda galaktyka zawiera ciemną materię, która generuje dodatkową grawitację, która utrzymuje galaktyki razem.
Ciemna materia we wszechświecie
Jednak w znacznie większej skali wszechświata badanie pojedynczych galaktyk nie jest wystarczające. Potrzebne jest inne podejście. W tym celu astronomowie muszą zastosować technikę zwaną soczewkowaniem grawitacyjnym.
Soczewkowanie grawitacyjne zostało przewidziane w 1916 r. Przez Alberta Einsteina, a po raz pierwszy zaobserwowane przez Sir Arthura Eddingtona w 1919 r. Teoria ogólnej teorii względności Einsteina mówi, że grawitacja, której doświadczamy, jest tak naprawdę spowodowana krzywizną czasoprzestrzeni. Ponieważ światło przemieszcza się w przestrzeni przez linię prostą, jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, będzie patrzeć na obserwatora, jakby światło podróżowało zakrzywioną ścieżką przez przestrzeń.
Zjawisko to można wykorzystać do badania ilości i rozkładu ciemnej materii we wszechświecie. Naukowcy, którzy patrzą na odległą galaktykę (zwaną galaktyką soczewkową), która ma jeszcze jedną galaktykę jeszcze dalej (zwaną galaktyką obserwowaną), mogą zobaczyć zniekształcony obraz obserwowanej galaktyki. Zniekształcenie jest związane z masą galaktyki soczewkowej. Ponieważ masa galaktyki soczewkowej jest połączeniem materii widzialnej i ciemnej materii, soczewkowanie grawitacyjne pozwala naukowcom bezpośrednio obserwować istnienie i rozkład ciemnej materii na skalach tak dużych jak sam wszechświat. Ta technika działa również, gdy duża gromada galaktyk na pierwszym planie zniekształca obrazy gromad jeszcze bardziej odległych galaktyk, co jest techniką stosowaną do tego pomiaru.
Bryłowaty czy nie?
Współpraca DES niedawno wydała analizę wykorzystującą dokładnie tę technikę. Zespół przyjrzał się próbce 26 milionów galaktyk w czterech różnych odległościach od Ziemi. Bliższe galaktyki skorygowały te, które były dalej. Używając tej techniki i uważnie przyglądając się zniekształceniom zdjęć wszystkich galaktyk, byli w stanie odwzorować rozkład niewidzialnej ciemnej materii oraz jej ruchy i skupiska w ciągu ostatnich 7 miliardów lat, czyli o połowę długości życia wszechświat.
Zgodnie z oczekiwaniami odkryli, że ciemna materia wszechświata była „grudkowata”. Była jednak niespodzianka - była nieco mniej nierówna, niż przewidywały poprzednie pomiary.
Jeden z tych sprzecznych pomiarów pochodzi z resztkowego sygnału radiowego z najwcześniejszego okresu po Wielkim Wybuchu, zwanego kosmicznym tłem mikrofalowym (CMB). CMB zawiera w sobie rozkład energii w kosmosie, gdy miał 380 000 lat. W 1998 r. Współpraca Cosmic Background Explorer (COBE) ogłosiła, że CMB nie jest idealnie jednolity, ale raczej ma gorące i zimne punkty, które różnią się od jednolitego o 1 część na 100 000. Sondy anizotropii mikrofalowej Wilkinson (WMAP) i satelity Plancka potwierdziły i udoskonaliły pomiary COBE.
W ciągu 7 miliardów lat między emisją CMB a okresem badanym przez DES te gorętsze regiony wszechświata zaszczepiły powstawanie struktury kosmosu. Dystrybucja energii w postaci nanonaczyni wychwycona w CMB w połączeniu ze wzmacniającą siłą grawitacji spowodowała, że niektóre miejsca we wszechświecie stały się gęstsze, a inne mniej. Rezultatem jest wszechświat, który widzimy wokół nas.
CMB przewiduje rozkład ciemnej materii z prostego powodu: Rozkład materii w naszym wszechświecie w teraźniejszości zależy od jej rozkładu w przeszłości. W końcu, jeśli w przeszłości istniała bryła materii, materia przyciągałaby pobliską materię i kępa rosła. Podobnie, gdybyśmy mieli rzutować w odległą przyszłość, rozkład materii dzisiaj wpłynąłby na jutro z tego samego powodu.
Naukowcy wykorzystali pomiary CMB w 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, aby obliczyć, jak wszechświat powinien wyglądać 7 miliardów lat później. Kiedy porównali prognozy z pomiarami z DES, odkryli, że pomiary DES były nieco mniej nierówne niż prognozy.
Niekompletne zdjęcie
Czy to wielka sprawa? Może. Niepewność lub błąd w dwóch pomiarach jest na tyle duży, że oznacza to, że nie zgadzają się w sposób istotny statystycznie. Oznacza to po prostu, że nikt nie może być pewien, że te dwa pomiary naprawdę się nie zgadzają. Może się zdarzyć, że rozbieżności wynikają przypadkowo ze statystycznych fluktuacji danych lub niewielkich efektów instrumentalnych, które nie zostały uwzględnione.
Nawet autorzy badania sugerowaliby tutaj ostrożność. Pomiary DES nie były jeszcze recenzowane. Artykuły zostały przesłane do publikacji, a wyniki zaprezentowane na konferencjach, ale stanowcze wnioski powinny poczekać, aż nadejdą sprawozdania sędziego.
Więc jaka jest przyszłość? DES ma pięcioletnią misję, z której zarejestrowano cztery lata danych. Niedawno ogłoszony wynik wykorzystuje dane z pierwszego roku. Najnowsze dane są nadal analizowane. Co więcej, pełny zestaw danych obejmie 5000 stopni kwadratowych nieba, podczas gdy najnowszy wynik obejmuje jedynie 1500 stopni kwadratowych i znajduje się w połowie drogi wstecz. Tak więc historia najwyraźniej nie jest kompletna. Analiza pełnego zestawu danych nie będzie oczekiwana do roku 2020.
Jednak dzisiejsze dane mogą już oznaczać, że w naszym rozumieniu ewolucji wszechświata istnieje możliwe napięcie. I nawet jeśli to napięcie zniknie wraz z analizą większej liczby danych, współpraca DES nadal wykonuje inne pomiary. Pamiętaj, że litery „DE” w nazwie oznaczają mroczną energię. Ta grupa ostatecznie będzie mogła nam powiedzieć coś o zachowaniu ciemnej energii w przeszłości i o tym, czego możemy się spodziewać w przyszłości. Ten ostatni pomiar to dopiero początek tego, co ma być naukowo fascynującym czasem.
Ta wersja artykułu została pierwotnie opublikowana w Live Science.
