Eine weitere bahnbrechende Entdeckung von Nagoya UniversitätDie sechs Nobelpreisträger von blicken weiter als je zuvor in Teile des Weltraums zurück. In Zusammenarbeit mit der University of Tokyo und Princeton Universityenthüllten Forscher, wie sie vor 12 Milliarden Jahren die Bildung dunkler Materie um Galaxien beobachteten, indem sie Strahlungsrückstände des Urknalls verwendeten.
Es kann schwierig sein, Ereignisse zu sehen, die so lange zurückliegen. Aufgrund der begrenzten Lichtgeschwindigkeit beobachtete das Team weit entfernte Galaxien eher in ihrer vor einer Milliarde Jahre zurückliegenden Geschichte als in ihrem gegenwärtigen Zustand. Die Beobachtung dunkler Materie, die kein Licht erzeugt, ist noch schwieriger.
Stellen Sie sich eine weit entfernte Quellgalaxie vor, die noch weiter entfernt ist als die Zielgalaxie, um ihre Dunkle Materie zu untersuchen. Wie von vorhergesagt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Anziehungskraft der Vordergrundgalaxie, einschließlich ihrer dunklen Materie, verzerrt die Umgebung Raum und Zeit. Die scheinbare Form der Galaxie wird als Ergebnis der Biegung des Lichts von der Quellgalaxie verändert, wenn es durch die Verzerrung hindurchgeht. Die Verzerrung nimmt mit der Menge an dunkler Materie zu. Aufgrund der Verzerrung können Forscher die Menge berechnen Dunkle Materie in der Nähe der Vordergrundgalaxie (auch „Linsengalaxie“ genannt).
Ab einem bestimmten Punkt tritt ein Problem auf: Galaxien sind in den entferntesten Bereichen des Universums außerordentlich dunkel. Infolgedessen wird diese Strategie weniger erfolgreich, je weiter wir uns von der Erde entfernen. Es müssen viele Hintergrundgalaxien vorhanden sein, um das Signal zu identifizieren, da die Linsenverzerrung normalerweise gering und schwierig zu erkennen ist.
Die meisten Studien stecken an denselben Grenzen fest. Abgesehen davon, dass sie nicht in der Lage waren, genügend entfernte Quellgalaxien zu identifizieren, um die Verzerrung zu messen, konnten Wissenschaftler nur die dunkle Materie von vor nicht mehr als 8 bis 10 Milliarden Jahren analysieren.
Diese Einschränkungen ließen die Frage offen Verteilung der Dunklen Materie zwischen dieser Zeit und vor 13.7 Milliarden Jahren, ungefähr am Anfang unseres Universums.
Die Forscher in dieser Studie umgehen dieses Problem, indem sie Daten aus den Beobachtungen der Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC) verwenden. Sie konnten 1.5 Millionen Linsengalaxien mit sichtbarem Licht erkennen, die ausgewählt wurden, um vor 12 Milliarden Jahren gesehen zu werden.
Als nächstes verwendeten sie Mikrowellen aus dem kosmische Mikrowelle Hintergrund (CMB), um den Mangel an weiter entferntem Galaxienlicht zu beheben. Sie verwendeten insbesondere Mikrowellen, die vom Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation beobachtet wurden, um die dunkle Materie um die durch die Mikrowellen verzerrten Linsengalaxien zu quantifizieren.
Professor Masami Ouchi von der Universität Tokio sagte: „Schauen Sie sich dunkle Materie um ferne Galaxien an? Es war eine verrückte Idee. Niemand wusste, dass wir das schaffen könnten. Aber nachdem ich über eine große entfernte Galaxienprobe gesprochen hatte, kam Hironao zu mir und sagte, dass es möglich sein könnte, dunkle Materie um diese Galaxien herum mit dem CMB zu untersuchen.“
Assistenzprofessor Yuichi Harikane vom Institute for Cosmic Ray Research der Universität Tokio sagte: „Die meisten Forscher verwenden Quellgalaxien, um die Verteilung der Dunklen Materie von der Gegenwart bis vor acht Milliarden Jahren zu messen. Wir könnten jedoch weiter in die Vergangenheit blicken, weil wir das weiter entfernte CMB zur Messung der Dunklen Materie genutzt haben. Zum ersten Mal haben wir dunkle Materie aus fast den frühesten Momenten des Universums gemessen.“
Nach einer vorläufigen Analyse stellten die Forscher schnell fest, dass sie über eine ausreichend große Probe verfügten, um die Verteilung der Dunklen Materie nachzuweisen. Durch die Kombination der großen entfernten Galaxienprobe und der Linsenverzerrungen in CMB entdeckten sie Dunkle Materie sogar noch weiter zurück in der Zeit vor 12 Milliarden Jahren. Dies ist nur 1.7 Milliarden Jahre nach der Anfang des Universums; daher sind diese Galaxien kurz nach ihrer ersten Entstehung zu sehen.
Der designierte KMI-Assistenzprofessor Hironao Miyatake sagte: „Ich war froh, dass wir ein neues Fenster in diese Ära geöffnet haben. Vor 12 Milliarden Jahren war das noch ganz anders. Sie sehen mehr Galaxien im Entstehungsprozess als derzeit; Auch die ersten Galaxienhaufen beginnen sich zu bilden. Galaxienhaufen bestehen aus 100-1000 Galaxien, die durch die Schwerkraft mit großen Mengen dunkler Materie verbunden sind.“
Neta Bahcall, Eugene-Higgins-Professorin für Astronomie, Professorin für astrophysikalische Wissenschaften und Direktorin für Grundstudien an der Princeton University, sagte: „Dieses Ergebnis ist sehr konsistent Bild von Galaxien und ihre Entwicklung sowie die dunkle Materie in und um Galaxien und wie sich dieses Bild mit der Zeit entwickelt.“
Eine der aufregendsten Erkenntnisse der Forscher bezog sich auf die Verklumpung der Dunklen Materie. Gemäß der Standardtheorie der Kosmologie, dem Lambda-CDM-Modell, bilden subtile Schwankungen im CMB Ansammlungen von dicht gepackter Materie, indem sie umgebende Materie durchziehen Schwerkraft. Dadurch entstehen inhomogene Klumpen, die in diesen dichten Regionen Sterne und Galaxien bilden. Die Ergebnisse der Gruppe deuten darauf hin, dass ihre Klumpigkeitsmessung niedriger war als vom Lambda-CDM-Modell vorhergesagt.
Miyatake sagte, „Unser Befund ist noch ungewiss. Aber wenn es wahr ist, würde es darauf hindeuten, dass das gesamte Modell fehlerhaft ist, wenn Sie weiter in die Vergangenheit gehen. Das ist spannend, denn wenn das Ergebnis nach Reduzierung der Unsicherheiten Bestand hat, könnte es auf eine Verbesserung des Modells hindeuten, die einen Einblick in die Natur der Dunklen Materie selbst geben könnte.“
Andrés Plazas Malagón, Associate Research Scholar an der Princeton University, sagte: „An diesem Punkt werden wir versuchen, bessere Daten zu erhalten, um zu sehen, ob das Lambda-CDM-Modell unsere Beobachtungen im Universum erklären kann. Und die Konsequenz könnte sein, dass wir die Annahmen, die in dieses Modell eingeflossen sind, überdenken müssen.“
Michael Strauss, Professor und Vorsitzender des Department of Astrophysical Sciences an der Princeton University, sagte: „Eine der Stärken der Betrachtung des Universums mithilfe groß angelegter Vermessungen, wie sie in dieser Forschung verwendet werden, besteht darin, dass Sie alles, was Sie auf den resultierenden Bildern sehen, aus der Nähe untersuchen können Asteroiden in unserem Sonnensystem zu den entferntesten Galaxien aus dem frühen Universum. Sie können dieselben Daten verwenden, um viele neue Fragen zu untersuchen.“
Journal Referenz:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Erste Identifizierung eines CMB-Lensing-Signals, das von 1.5 Millionen Galaxien bei z∼4 erzeugt wird: Beschränkungen für Schwankungen der Materiedichte bei hoher Rotverschiebung. Physik. Rev. Lett. 129, 061301 – Veröffentlicht am 1. August 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
