Άλλη μια πρωτοποριακή ανακάλυψη από Πανεπιστήμιο ΝαγκόγιαΟι έξι νικητές του βραβείου Νόμπελ κοιτάζουν πίσω σε μέρη του διαστήματος πιο μακριά από ποτέ. Σε συνεργασία με την Πανεπιστήμιο του Τόκιο και Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, οι ερευνητές αποκάλυψαν πώς παρατήρησαν το σχηματισμό της σκοτεινής ύλης γύρω από τους γαλαξίες πριν από 12 δισεκατομμύρια χρόνια, χρησιμοποιώντας υπολείμματα ακτινοβολίας από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μπορεί να είναι δύσκολο να βλέπεις γεγονότα που συνέβησαν τόσο καιρό πριν. Λόγω της περιορισμένης ταχύτητας του φωτός, η ομάδα παρατήρησε μακρινούς γαλαξίες στην ιστορία τους πριν από δισεκατομμύρια χρόνια και όχι στην παρούσα κατάστασή τους. Η παρατήρηση της σκοτεινής ύλης, η οποία δεν παράγει φως, είναι ακόμα πιο δύσκολη.
Σκεφτείτε έναν γαλαξία μακρινής πηγής που είναι ακόμη πιο απομακρυσμένος από τον γαλαξία στόχο για τη μελέτη της σκοτεινής του ύλης. Όπως προβλέπεται από Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η βαρυτική έλξη του γαλαξία στο προσκήνιο, συμπεριλαμβανομένης της σκοτεινής ύλης του, παραμορφώνει το περιβάλλον χώρο και χρόνο. Το φαινομενικό σχήμα του γαλαξία αλλοιώνεται ως αποτέλεσμα της κάμψης του φωτός από τον γαλαξία της πηγής καθώς περνά μέσα από την παραμόρφωση. Η παραμόρφωση αυξάνεται με την ποσότητα της σκοτεινής ύλης. Λόγω της παραμόρφωσης, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν την ποσότητα του σκοτεινή ύλη κοντά στον γαλαξία του πρώτου πλάνου (γνωστός και ως γαλαξίας "φακός").
Πέρα από ένα ορισμένο σημείο, προκύπτει ένα πρόβλημα: οι γαλαξίες είναι εξαιρετικά αμυδρά στα πιο μακρινά σημεία του σύμπαντος. Ως αποτέλεσμα, αυτή η στρατηγική γίνεται λιγότερο επιτυχημένη καθώς κοιτάμε πιο μακριά από τη Γη. Πρέπει να υπάρχουν πολλοί γαλαξίες φόντου για να αναγνωρίσουν το σήμα, επειδή η παραμόρφωση του φακού είναι συνήθως μέτρια και δύσκολο να εντοπιστεί.
Οι περισσότερες μελέτες έχουν κολλήσει στα ίδια όρια. Εκτός από το ότι δεν ήταν σε θέση να εντοπίσουν αρκετούς μακρινούς γαλαξίες για να μετρήσουν την παραμόρφωση, οι επιστήμονες μπορούσαν να αναλύσουν τη σκοτεινή ύλη μόνο πριν από 8-10 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτοί οι περιορισμοί άφησαν ανοιχτό το ερώτημα του κατανομή της σκοτεινής ύλης μεταξύ αυτής της εποχής και πριν από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια, περίπου στην αρχή του σύμπαντός μας.
Οι ερευνητές σε αυτή τη μελέτη ξεπερνούν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας δεδομένα από τις παρατηρήσεις του Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Μπορούσαν να ανιχνεύσουν 1.5 εκατομμύρια γαλαξίες με φακούς χρησιμοποιώντας ορατό φως, που επιλέχθηκαν να φανούν πριν από 12 δισεκατομμύρια χρόνια.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μικροκύματα από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) για την αντιμετώπιση της έλλειψης γαλαξιακού φωτός πιο μακριά. Χρησιμοποιούσαν ειδικά μικροκύματα που παρατηρήθηκαν από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας για να ποσοτικοποιήσουν τη σκοτεινή ύλη γύρω από τους γαλαξίες των φακών που παραμορφώθηκαν από τα μικροκύματα.
Ο καθηγητής Masami Ouchi του Πανεπιστημίου του Τόκιο είπε, «Κοιτάξτε τη σκοτεινή ύλη γύρω από μακρινούς γαλαξίες; Ήταν μια τρελή ιδέα. Κανείς δεν συνειδητοποίησε ότι μπορούσαμε να το κάνουμε αυτό. Αλλά αφού μίλησα για ένα μεγάλο μακρινό δείγμα γαλαξία, ο Hironao ήρθε σε εμένα και είπε ότι μπορεί να είναι δυνατό να κοιτάξουμε τη σκοτεινή ύλη γύρω από αυτούς τους γαλαξίες με το CMB».
Ο Επίκουρος Καθηγητής Yuichi Harikane του Ινστιτούτου Έρευνας Κοσμικών Ακτίνων του Πανεπιστημίου του Τόκιο είπε: «Οι περισσότεροι ερευνητές χρησιμοποιούν γαλαξίες πηγής για να μετρήσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης από το παρόν έως πριν από οκτώ δισεκατομμύρια χρόνια. Ωστόσο, θα μπορούσαμε να κοιτάξουμε περισσότερο στο παρελθόν επειδή χρησιμοποιήσαμε το πιο απομακρυσμένο CMB για να μετρήσουμε τη σκοτεινή ύλη. Για πρώτη φορά, μετρούσαμε τη σκοτεινή ύλη σχεδόν από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος».
Μετά από μια προκαταρκτική ανάλυση, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν σύντομα ότι είχαν ένα αρκετά μεγάλο δείγμα για να ανιχνεύσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης. Συνδυάζοντας το μεγάλο μακρινό δείγμα γαλαξία και τις παραμορφώσεις του φακού στο CMB, εντόπισαν τη σκοτεινή ύλη ακόμα πιο πίσω στο χρόνο, από 12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτό είναι μόνο 1.7 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την αρχή του σύμπαντος; Έτσι, αυτοί οι γαλαξίες φαίνονται αμέσως μετά την πρώτη τους δημιουργία.
Ο διορισμένος επίκουρος καθηγητής KMI Hironao Miyatake είπε, «Ήμουν χαρούμενος που ανοίξαμε ένα νέο παράθυρο σε εκείνη την εποχή. Πριν από 12 δισεκατομμύρια χρόνια, τα πράγματα ήταν πολύ διαφορετικά. Βλέπετε περισσότερους γαλαξίες στη διαδικασία σχηματισμού από ό,τι σήμερα. αρχίζουν επίσης να σχηματίζονται τα πρώτα σμήνη γαλαξιών. Τα σμήνη γαλαξιών περιλαμβάνουν 100-1000 γαλαξίες δεσμευμένους από τη βαρύτητα με μεγάλες ποσότητες σκοτεινής ύλης.»
Η Neta Bahcall, Καθηγητής Αστρονομίας, Eugene Higgins, καθηγητής αστροφυσικών επιστημών και διευθύντρια προπτυχιακών σπουδών στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, δήλωσε: «Αυτό το αποτέλεσμα δίνει μια πολύ συνεπή εικόνα των γαλαξιών και την εξέλιξή τους, καθώς και τη σκοτεινή ύλη μέσα και γύρω από τους γαλαξίες, και πώς αυτή η εικόνα εξελίσσεται με το χρόνο».
Ένα από τα πιο συναρπαστικά ευρήματα των ερευνητών σχετιζόταν με τη συστάδα της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με την τυπική θεωρία της κοσμολογίας, το μοντέλο Lambda-CDM, οι ανεπαίσθητες διακυμάνσεις στο CMB σχηματίζουν δεξαμενές πυκνής ύλης έλκοντας την περιβάλλουσα ύλη μέσω βαρύτητα. Αυτό δημιουργεί ανομοιογενείς συστάδες που σχηματίζουν αστέρια και γαλαξίες σε αυτές τις πυκνές περιοχές. Τα ευρήματα της ομάδας υποδηλώνουν ότι η μέτρηση της συσσωμάτωσης ήταν χαμηλότερη από ό,τι είχε προβλεφθεί από το μοντέλο Lambda-CDM.
Ο Miyatake είπε, «Το εύρημα μας είναι ακόμα αβέβαιο. Αλλά αν είναι αλήθεια, θα υποδηλώνει ότι ολόκληρο το μοντέλο είναι ελαττωματικό καθώς πηγαίνετε πιο πίσω στο χρόνο. Αυτό είναι συναρπαστικό γιατί εάν το αποτέλεσμα παραμείνει μετά τη μείωση των αβεβαιοτήτων, θα μπορούσε να υποδηλώσει μια βελτίωση του μοντέλου που μπορεί να παρέχει μια εικόνα για τη φύση της ίδιας της σκοτεινής ύλης».
Ο Andrés Plazas Malagón, συνεργάτης ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, είπε: «Σε αυτό το σημείο, θα προσπαθήσουμε να πάρουμε καλύτερα δεδομένα για να δούμε αν το μοντέλο Lambda-CDM μπορεί να εξηγήσει τις παρατηρήσεις μας στο σύμπαν. Και η συνέπεια μπορεί να είναι ότι πρέπει να επανεξετάσουμε τις υποθέσεις που μπήκαν σε αυτό το μοντέλο».
Ο Michael Strauss, καθηγητής και πρόεδρος του Τμήματος Αστροφυσικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, είπε: «Ένα από τα δυνατά σημεία της εξέτασης του σύμπαντος χρησιμοποιώντας έρευνες μεγάλης κλίμακας, όπως αυτές που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την έρευνα, είναι ότι μπορείτε να μελετήσετε όλα όσα βλέπετε στις προκύπτουσες εικόνες, από κοντά αστεροειδείς στο ηλιακό μας σύστημα στους πιο μακρινούς γαλαξίες από το πρώιμο σύμπαν. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα ίδια δεδομένα για να εξερευνήσετε πολλές νέες ερωτήσεις."
Αναφορά στο περιοδικό:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Πρώτη αναγνώριση ενός σήματος φακού CMB που παράγεται από 1.5 εκατομμύρια γαλαξίες στο z~4: Περιορισμοί στις διακυμάνσεις της πυκνότητας της ύλης σε υψηλή μετατόπιση ερυθρών. Φυσ. Rev. Lett. 129, 061301 – Δημοσιεύθηκε 1 Αυγούστου 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
