Endnu en banebrydende opdagelse af Nagoya University's seks nobelprisvindere ser længere tilbage i dele af rummet end nogensinde før. I samarbejde med University of Tokyo , Princeton University, afslørede forskere, hvordan de observerede dannelsen af mørkt stof omkring galakser for 12 milliarder år siden ved hjælp af strålingsrester fra Big Bang.
Det kan være udfordrende at se begivenheder, der skete for så længe siden. På grund af lysets begrænsede hastighed observerede holdet fjerne galakser i deres præ-milliardårige historie snarere end deres nuværende tilstand. At observere mørkt stof, som ikke producerer lys, er stadig mere udfordrende.
Overvej en fjern kildegalakse, der er endnu mere fjerntliggende end målgalaksen for at studere dens mørke stof. Som forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori, forvrænger tyngdekraften af forgrundsgalaksen, inklusive dens mørke stof, omgivelserne rum og tid. Den tilsyneladende form af galaksen ændres som følge af, at lyset fra kildegalaksen bøjer sig, når det passerer gennem forvrængningen. Forvrængningen øges med mængden af mørkt stof. På grund af forvrængningen kan forskere beregne mængden af mørkt stof i nærheden af forgrundsgalaksen (også kendt som "linse"-galaksen).
Ud over et vist punkt opstår et problem: Galakser er ekstremt dunkle i de fjerneste dele af universet. Som et resultat bliver denne strategi mindre vellykket, når vi ser længere væk fra Jorden. Der skal være mange baggrundsgalakser for at identificere signalet, fordi linseforvrængningen typisk er beskeden og udfordrende at opdage.
De fleste af undersøgelserne sidder fast ved de samme grænser. Udover at være ude af stand til at identificere nok fjerne kildegalakser til at måle forvrængningen, kunne forskerne kun analysere det mørke stof fra ikke mere end 8-10 milliarder år siden.
Disse begrænsninger lod spørgsmålet om fordeling af mørkt stof mellem dette tidspunkt og for 13.7 milliarder år siden, omkring begyndelsen af vores univers.
Forskere i denne undersøgelse omgår dette problem ved at bruge data fra Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC) observationer. De kunne opdage 1.5 millioner linsegalakser ved hjælp af synligt lys, udvalgt til at blive set for 12 milliarder år siden.
Dernæst brugte de mikrobølger fra kosmisk mikrobølge baggrund (CMB) for at løse manglen på galakselys længere væk. De brugte især mikrobølger observeret af Den Europæiske Rumorganisations Planck-satellit til at kvantificere det mørke stof omkring linsegalakserne forvrænget af mikrobølgerne.
Professor Masami Ouchi fra University of Tokyo sagde: "Se på mørkt stof omkring fjerne galakser? Det var en skør idé. Ingen var klar over, at vi kunne gøre dette. Men efter at jeg talte om en stor fjern galakseprøve, kom Hironao til mig og sagde, at det måske er muligt at se på mørkt stof omkring disse galakser med CMB.
Adjunkt Yuichi Harikane fra Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, sagde: "De fleste forskere bruger kildegalakser til at måle fordeling af mørkt stof fra nutiden til for otte milliarder år siden. Vi kunne dog se længere ind i fortiden, fordi vi brugte den mere fjerne CMB til at måle mørkt stof. For første gang målte vi mørkt stof fra næsten de tidligste øjeblikke af universet."
Efter en foreløbig analyse indså forskerne hurtigt, at de havde en stor nok prøve til at påvise fordelingen af mørkt stof. Ved at kombinere den store fjerntliggende galakseprøve og linseforvrængningerne i CMB opdagede de mørkt stof endnu længere tilbage i tiden, fra 12 milliarder år siden. Dette er kun 1.7 milliarder år efter universets begyndelse; derfor ses disse galakser kort efter, de først blev dannet.
KMI udpeget adjunkt Hironao Miyatake sagde, "Jeg var glad for, at vi åbnede et nyt vindue ind i den æra. For 12 milliarder år siden var tingene meget anderledes. Du ser flere galakser i dannelsesprocessen end i øjeblikket; de første galaksehobe begynder også at dannes. Galaksehobe omfatter 100-1000 galakser bundet af tyngdekraften med store mængder mørkt stof."
Neta Bahcall, Eugene Higgins professor i astronomi, professor i astrofysiske videnskaber og direktør for bachelorstudier ved Princeton University, sagde: “Dette resultat giver en meget konsekvent billede af galakser og deres udvikling, såvel som det mørke stof i og omkring galakser, og hvordan dette billede udvikler sig med tiden."
Et af forskernes mest spændende resultater var relateret til mørkt stofs klumpethed. Ifølge standardteorien for kosmologi, Lambda-CDM-modellen, danner subtile fluktuationer i CMB puljer af tætpakket stof ved at tiltrække omgivende stof gennem tyngdekraften. Dette skaber inhomogene klumper, der danner stjerner og galakser i disse tætte områder. Gruppens resultater tyder på, at deres klumphedsmåling var lavere end forudsagt af Lambda-CDM-modellen.
Miyatake sagde, "Vores konstatering er stadig usikker. Men hvis det er sandt, tyder det på, at hele modellen er fejlbehæftet, når du går længere tilbage i tiden. Det er spændende, for hvis resultatet holder, efter at usikkerheden er reduceret, kan det tyde på en forbedring af modellen, der kan give indsigt i selve mørkt stofs natur."
Andrés Plazas Malagón, en associeret forsker ved Princeton University, sagde: "På dette tidspunkt vil vi forsøge at få bedre data for at se, om Lambda-CDM-modellen kan forklare vores observationer i universet. Og konsekvensen kan være, at vi er nødt til at revidere de antagelser, der gik ind i denne model."
Michael Strauss, professor og formand for Institut for Astrofysiske Videnskaber ved Princeton University, sagde: "En af styrkerne ved at se på universet ved hjælp af store undersøgelser, som dem der bruges i denne forskning, er, at du kan studere alt, hvad du ser i de resulterende billeder, fra nærliggende asteroider i vores solsystem til de fjerneste galakser fra det tidlige univers. Du kan bruge de samme data til at udforske mange nye spørgsmål."
Journal Reference:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Første identifikation af et CMB-linsesignal produceret af 1.5 millioner galakser ved z∼4: Begrænsninger på stofdensitetsudsving ved høj rødforskydning. Fys. Lett. 129, 061301 – Udgivet 1. august 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301
