עוד תגלית פורצת דרך מאת אוניברסיטת נאגויהששת זוכי פרס נובל מביטים אחורה לחלקים בחלל רחוק יותר מאי פעם. בשיתוף פעולה עם ה אוניברסיטת טוקיו ו אוניברסיטת פרינסטון, חוקרים חשפו כיצד צפו בהיווצרות של חומר אפל סביב גלקסיות לפני 12 מיליארד שנה, תוך שימוש בשאריות קרינה מהמפץ הגדול.
זה יכול להיות מאתגר לראות אירועים שהתרחשו לפני כל כך הרבה זמן. בשל מהירות האור המוגבלת, הצוות צפה בגלקסיות רחוקות בהיסטוריה שלהן לפני מיליארדי שנים ולא במצבן הנוכחי. התבוננות בחומר אפל, שאינו מייצר אור, עדיין מאתגרת יותר.
חשבו על גלקסיית מקור רחוקה שמרוחקת אפילו יותר מגלקסיית המטרה לחקר החומר האפל שלה. כפי שחזה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, כוח המשיכה של הגלקסיה הקדמית, כולל החומר האפל שלה, מעוות את הסביבה מרחב וזמן. צורתה הנראית לעין של הגלקסיה משתנה כתוצאה מהתכופפות האור מגלקסיית המקור כשהוא עובר דרך העיוות. העיוות גדל עם כמות החומר האפל. בגלל העיוות, החוקרים יכולים לחשב את הכמות של חומר אפל בסביבת הגלקסיה הקדמית (הידועה גם כגלקסיית "העדשה").
מעבר לנקודה מסוימת, מתעוררת בעיה: גלקסיות עמומות מאוד במקומות הרחוקים ביותר של היקום. כתוצאה מכך, אסטרטגיה זו הופכת פחות מוצלחת ככל שאנו מסתכלים רחוק יותר מכדור הארץ. חייבות להיות גלקסיות רקע רבות כדי לזהות את האות מכיוון שעיוות העדשה הוא בדרך כלל צנוע ומאתגר לזיהוי.
רוב המחקרים תקועים באותם גבולות. מלבד חוסר היכולת לזהות מספיק גלקסיות מקור רחוקות כדי למדוד את העיוות, מדענים יכלו לנתח רק את החומר האפל מלפני לא יותר מ-8-10 מיליארד שנים.
מגבלות אלו הותירו פתוחות את שאלת ה הפצה של חומר אפל בין הזמן הזה ועד לפני 13.7 מיליארד שנים, סביב תחילת היקום שלנו.
חוקרים במחקר זה עוקפים את הבעיה על ידי שימוש בנתונים מתצפיות Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). הם יכלו לזהות 1.5 מיליון גלקסיות עדשות באמצעות אור נראה, שנבחר להיראות לפני 12 מיליארד שנה.
לאחר מכן, הם השתמשו במיקרוגלים מה- רקע מיקרוגל קוסמי (CMB) כדי לטפל בחוסר אור הגלקסיות רחוק יותר. הם השתמשו במיוחד במיקרוגלים שנצפו על ידי לוויין פלאנק של סוכנות החלל האירופית כדי לכמת את החומר האפל סביב גלקסיות העדשה המעוותות על ידי גלי המיקרו.
פרופסור מסאמי אוצ'י מאוניברסיטת טוקיו אמר, "להסתכל על חומר אפל מסביב לגלקסיות רחוקות? זה היה רעיון מטורף. אף אחד לא הבין שאנחנו יכולים לעשות את זה. אבל אחרי שדיברתי על מדגם גדול של גלקסיות רחוקות, הירונאו בא אליי ואמר שאולי אפשר להסתכל על חומר אפל סביב הגלקסיות האלה עם ה-CMB."
עוזר פרופסור יואיצ'י הריקאן מהמכון לחקר קרניים קוסמיות, אוניברסיטת טוקיו, אמר, "רוב החוקרים משתמשים בגלקסיות מקור כדי למדוד את התפלגות החומר האפל מהיום ועד לפני שמונה מיליארד שנים. עם זאת, נוכל להסתכל יותר אל העבר מכיוון שהשתמשנו ב-CMB הרחוק יותר כדי למדוד חומר אפל. בפעם הראשונה, מדדנו חומר אפל כמעט מהרגעים המוקדמים ביותר של היקום".
לאחר ניתוח ראשוני, החוקרים הבינו במהרה שיש להם מדגם גדול מספיק כדי לזהות את התפלגות החומר האפל. בשילוב מדגם הגלקסיה הרחוקה הגדולה ועיוותי העדשות ב-CMB, הם זיהו חומר אפל עוד יותר אחורה בזמן, מלפני 12 מיליארד שנה. זה רק 1.7 מיליארד שנים אחרי תחילת היקום; לפיכך, הגלקסיות הללו נראות זמן קצר לאחר היווצרותן לראשונה.
עוזר פרופסור המיועד של KMI Hironao Miyatake אמר, "שמחתי שפתחנו צוהר חדש לעידן ההוא. לפני 12 מיליארד שנה, הדברים היו שונים מאוד. אתה רואה יותר גלקסיות בתהליך היווצרות מאשר כיום; גם צבירי הגלקסיות הראשונים מתחילים להיווצר. צבירי גלקסיות כוללים 100-1000 גלקסיות הקשורות בכוח הכבידה עם כמויות גדולות של חומר אפל."
נטע בהקול, יוג'ין היגינס פרופסור לאסטרונומיה, פרופסור למדעים אסטרופיזיקליים ומנהלת לימודי תואר ראשון באוניברסיטת פרינסטון, אמרה: "התוצאה הזו נותנת תוצאה עקבית מאוד תמונה של גלקסיות וההתפתחות שלהם, כמו גם החומר האפל בגלקסיות וסביבתה, וכיצד התמונה הזו מתפתחת עם הזמן."
אחד הממצאים המרגשים ביותר של החוקרים היה קשור לגושיות של החומר האפל. על פי התיאוריה הסטנדרטית של הקוסמולוגיה, מודל Lambda-CDM, תנודות עדינות ב-CMB יוצרות מאגרים של חומר ארוז בצפיפות על ידי משיכת החומר הסובב דרך כוח משיכה. זה יוצר גושים לא הומוגניים היוצרים כוכבים וגלקסיות באזורים צפופים אלה. ממצאי הקבוצה מצביעים על כך שמדידת הגמישות שלהם הייתה נמוכה ממה שחזה מודל Lambda-CDM.
מיאטקה אמר, "הממצא שלנו עדיין לא בטוח. אבל אם זה נכון, זה מצביע על כך שהדגם כולו פגום ככל שאתה הולך אחורה בזמן. זה מרגש כי אם התוצאה תחזיק אחרי אי הוודאות מופחתת, זה יכול להציע שיפור של המודל שעשוי לספק תובנה לגבי טבעו של החומר האפל עצמו."
אנדרס פלאסאס מאגון, חוקר שותף באוניברסיטת פרינסטון, אמר, "בשלב זה, ננסה להשיג נתונים טובים יותר כדי לראות אם מודל Lambda-CDM יכול להסביר את התצפיות שלנו ביקום. והתוצאה עשויה להיות שעלינו לבחון מחדש את ההנחות שנכנסו למודל הזה".
מייקל שטראוס, פרופסור ויו"ר המחלקה למדעי האסטרופיזיקה באוניברסיטת פרינסטון, אמר: "אחד היתרונות של התבוננות ביקום באמצעות סקרים בקנה מידה גדול, כמו אלה המשמשים במחקר זה, הוא שאתה יכול ללמוד את כל מה שאתה רואה בתמונות המתקבלות, מסביבה אסטרואידים במערכת השמש שלנו לגלקסיות הרחוקות ביותר מהיקום המוקדם. אתה יכול להשתמש באותם נתונים כדי לחקור שאלות חדשות רבות."
עיון ביומן:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. זיהוי ראשון של אות עדשת CMB שהופק על ידי 1.5 מיליון גלקסיות ב-z-4: אילוצים על תנודות בצפיפות החומר בהיסט לאדום גבוה. פיז. הכומר לט. 129, 061301 – פורסם ב-1 באוגוסט 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
