Weer een baanbrekende ontdekking door Nagoya UniversityDe zes Nobelprijswinnaars kijken verder dan ooit terug in delen van de ruimte. In samenwerking met de Universiteit van Tokyo en Princeton University, onthulden onderzoekers hoe ze 12 miljard jaar geleden de vorming van donkere materie rond sterrenstelsels observeerden, met behulp van stralingsresidu van de oerknal.
Het kan een uitdaging zijn om gebeurtenissen te zien die zo lang geleden hebben plaatsgevonden. Vanwege de beperkte lichtsnelheid observeerde het team verre sterrenstelsels in hun pre-miljard-jarige geschiedenis in plaats van hun huidige staat. Het observeren van donkere materie, die geen licht produceert, is nog uitdagender.
Beschouw een verre bronmelkwegstelsel dat nog verder verwijderd is dan het doelstelsel voor het bestuderen van zijn donkere materie. Zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie, de aantrekkingskracht van het voorgrondstelsel, inclusief de donkere materie, vervormt de omgeving ruimte en tijd. De schijnbare vorm van het sterrenstelsel verandert als gevolg van het buigen van het licht van het bronstelsel wanneer het door de vervorming gaat. De vervorming neemt toe met de hoeveelheid donkere materie. Door de vervorming kunnen onderzoekers de hoeveelheid donkere materie in de buurt van het voorgrondstelsel (ook bekend als het "lens" -stelsel).
Voorbij een bepaald punt doet zich een probleem voor: sterrenstelsels zijn buitengewoon zwak in de verste uithoeken van het universum. Als gevolg hiervan wordt deze strategie minder succesvol naarmate we verder van de aarde kijken. Er moeten veel achtergrondsterrenstelsels zijn om het signaal te identificeren, omdat de lensvervorming doorgaans bescheiden en moeilijk te detecteren is.
De meeste onderzoeken zitten vast aan dezelfde limieten. Behalve dat ze niet genoeg verre bronstelsels konden identificeren om de vervorming te meten, konden wetenschappers alleen de donkere materie analyseren van niet meer dan 8-10 miljard jaar geleden.
Deze beperkingen lieten de vraag open verdeling van donkere materie tussen deze tijd en 13.7 miljard jaar geleden, rond het begin van ons heelal.
Onderzoekers in dit onderzoek omzeilen dit probleem door gebruik te maken van gegevens uit de Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC)-waarnemingen. Ze konden 1.5 miljoen lensstelsels detecteren met zichtbaar licht, geselecteerd om 12 miljard jaar geleden gezien te worden.
Vervolgens gebruikten ze microgolven uit de kosmische microgolfachtergrond (CMB) om het gebrek aan melkweglicht verder weg aan te pakken. Ze gebruikten vooral microgolven die werden waargenomen door de Planck-satelliet van de European Space Agency om de donkere materie rond de lensstelsels te kwantificeren die door de microgolven worden vervormd.
Professor Masami Ouchi van de Universiteit van Tokyo zei: "Kijken naar donkere materie rond verre sterrenstelsels? Het was een gek idee. Niemand realiseerde zich dat we dit konden doen. Maar nadat ik het had over een groot monster van verre sterrenstelsels, kwam Hironao naar me toe en zei dat het misschien mogelijk is om met de CMB naar donkere materie rond deze sterrenstelsels te kijken.”
Assistent-professor Yuichi Harikane van het Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, zei: “De meeste onderzoekers gebruiken bronstelsels om de verdeling van donkere materie te meten vanaf het heden tot acht miljard jaar geleden. We zouden echter verder in het verleden kunnen kijken omdat we de verder weg gelegen CMB hebben gebruikt om donkere materie te meten. Voor het eerst hebben we donkere materie gemeten vanaf bijna de vroegste momenten van het heelal.”
Na een voorlopige analyse realiseerden de onderzoekers zich al snel dat ze een monster hadden dat groot genoeg was om de verdeling van donkere materie te detecteren. Door het grote monster van verre sterrenstelsels en de lensvervormingen in CMB te combineren, ontdekten ze donkere materie zelfs verder terug in de tijd, van 12 miljard jaar geleden. Dit is slechts 1.7 miljard jaar na de begin van het universum; dus worden deze sterrenstelsels snel gezien nadat ze voor het eerst zijn gevormd.
KMI-aangewezen assistent-professor Hironao Miyatake zei: “Ik was blij dat we een nieuw venster op dat tijdperk hebben geopend. 12 miljard jaar geleden was alles heel anders. Je ziet meer sterrenstelsels in het vormingsproces dan nu; de eerste melkwegclusters beginnen zich ook te vormen. Clusters van sterrenstelsels omvatten 100-1000 sterrenstelsels gebonden door de zwaartekracht met grote hoeveelheden donkere materie.”
Neta Bahcall, Eugene Higgins hoogleraar astronomie, hoogleraar astrofysische wetenschappen en directeur van niet-gegradueerde studies aan de Princeton University, zei: “Dit resultaat geeft een zeer consistent foto van sterrenstelsels en hun evolutie, evenals de donkere materie in en rond sterrenstelsels, en hoe dit beeld met de tijd evolueert.”
Een van de meest opwindende bevindingen van de onderzoekers was gerelateerd aan de klonterigheid van donkere materie. Volgens de standaardtheorie van de kosmologie, het Lambda-CDM-model, vormen subtiele fluctuaties in de CMB poelen van dicht opeengepakte materie door omringende materie aan te trekken door zwaartekracht. Hierdoor ontstaan inhomogene klonten die sterren en sterrenstelsels vormen in deze dichte gebieden. De bevindingen van de groep suggereren dat hun klonterigheidsmeting lager was dan voorspeld door het Lambda-CDM-model.
Miyatake zei, “Onze bevinding is nog onzeker. Maar als het waar is, zou het erop wijzen dat het hele model gebrekkig is als je verder terug in de tijd gaat. Dit is opwindend, want als het resultaat standhoudt nadat de onzekerheden zijn verminderd, zou dit een verbetering van het model kunnen suggereren dat inzicht kan geven in de aard van donkere materie zelf.”
Andrés Plazas Malagón, een associate research scientist aan de Princeton University, zei: "Op dit punt zullen we proberen betere gegevens te krijgen om te zien of het Lambda-CDM-model onze waarnemingen in het universum kan verklaren. En het gevolg kan zijn dat we de aannames die in dit model zijn verwerkt, opnieuw moeten bekijken.”
Michael Strauss, een professor en voorzitter van de afdeling Astrofysische Wetenschappen aan de Princeton University, zei: “Een van de sterke punten van het kijken naar het universum met behulp van grootschalige onderzoeken, zoals die in dit onderzoek worden gebruikt, is dat je alles wat je in de resulterende afbeeldingen ziet, van dichtbij kunt bestuderen. asteroïden in ons zonnestelsel naar de verste sterrenstelsels van het vroege heelal. Je kunt dezelfde data gebruiken om veel nieuwe vragen te onderzoeken.”
Journal Reference:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Eerste identificatie van een CMB-lenssignaal geproduceerd door 1.5 miljoen sterrenstelsels op z∼4: beperkingen op fluctuaties in materiedichtheid bij hoge roodverschuiving. Fys. ds. Lett. 129, 061301 – Gepubliceerd op 1 augustus 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
