Nok en banebrytende oppdagelse av Nagoya University's seks nobelprisvinnere ser tilbake på deler av verdensrommet lenger enn noen gang før. I samarbeid med University of Tokyo og Princeton University, avslørte forskere hvordan de observerte dannelsen av mørk materie rundt galakser for 12 milliarder år siden, ved å bruke strålingsrester fra Big Bang.
Det kan være utfordrende å se hendelser som skjedde for så lenge siden. På grunn av den begrensede lyshastigheten, observerte teamet fjerne galakser i deres pre-milliardårige historie i stedet for deres nåværende tilstand. Å observere mørk materie, som ikke produserer lys, er fortsatt mer utfordrende.
Tenk på en fjern kildegalakse som er enda mer avsidesliggende enn målgalaksen for å studere dens mørke materie. Som forutsagt av Einsteins teori om generell relativitet, forvrenger gravitasjonskraften til forgrunnsgalaksen, inkludert dens mørke materie, omgivelsene rom og tid. Den tilsynelatende formen til galaksen endres som et resultat av at lyset fra kildegalaksen bøyer seg når det passerer gjennom forvrengningen. Forvrengningen øker med mengden mørk materie. På grunn av forvrengningen kan forskere beregne mengden av mørk materie i nærheten av forgrunnsgalaksen (også kjent som "linse"-galaksen).
Utover et visst punkt oppstår et problem: Galakser er ekstremt svake i de fjerneste delene av universet. Som et resultat blir denne strategien mindre vellykket når vi ser lenger bort fra jorden. Det må være mange bakgrunnsgalakser for å identifisere signalet fordi linseforvrengningen vanligvis er beskjeden og utfordrende å oppdage.
De fleste studiene sitter fast ved de samme grensene. Foruten å være ute av stand til å identifisere nok fjerntliggende kildegalakser til å måle forvrengningen, kunne forskere bare analysere mørk materie fra ikke mer enn 8-10 milliarder år siden.
Disse begrensningene forlot spørsmålet om distribusjon av mørk materie mellom denne tiden og for 13.7 milliarder år siden, rundt begynnelsen av universet vårt.
Forskere i denne studien omgår dette problemet ved å bruke data fra Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC) observasjoner. De kunne oppdage 1.5 millioner linsegalakser ved hjelp av synlig lys, utvalgt til å bli sett for 12 milliarder år siden.
Deretter brukte de mikrobølger fra kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn (CMB) for å adressere mangelen på galakselys lenger unna. De brukte spesielt mikrobølger observert av European Space Agencys Planck-satellitt for å kvantifisere mørk materie rundt linsegalaksene forvrengt av mikrobølgene.
Professor Masami Ouchi ved University of Tokyo sa: "Se på mørk materie rundt fjerne galakser? Det var en gal idé. Ingen skjønte at vi kunne gjøre dette. Men etter at jeg snakket om en stor fjern galakseprøve, kom Hironao til meg og sa at det kan være mulig å se på mørk materie rundt disse galaksene med CMB.»
Assistentprofessor Yuichi Harikane ved Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, sa: "De fleste forskere bruker kildegalakser for å måle distribusjon av mørk materie fra nåtid til åtte milliarder år siden. Imidlertid kunne vi se lenger inn i fortiden fordi vi brukte den fjernere CMB for å måle mørk materie. For første gang målte vi mørk materie fra nesten de tidligste øyeblikkene i universet.»
Etter en foreløpig analyse innså forskerne snart at de hadde en stor nok prøve til å oppdage fordelingen av mørk materie. Ved å kombinere den store fjerntliggende galakseprøven og linseforvrengningene i CMB, oppdaget de mørk materie enda lenger tilbake i tid, fra 12 milliarder år siden. Dette er bare 1.7 milliarder år etter begynnelsen av universet; dermed blir disse galaksene sett like etter at de først ble dannet.
KMI utpekt assisterende professor Hironao Miyatake sa, «Jeg var glad for at vi åpnet et nytt vindu inn i den tiden. For 12 milliarder år siden var ting veldig annerledes. Du ser flere galakser i dannelsesprosessen enn i dag; de første galaksehopene begynner også å dannes. Galaksehoper omfatter 100-1000 galakser bundet av tyngdekraften med store mengder mørk materie."
Neta Bahcall, Eugene Higgins professor i astronomi, professor i astrofysiske vitenskaper og direktør for bachelorstudier ved Princeton University, sa: "Dette resultatet gir en veldig konsistent bilde av galakser og deres utvikling, så vel som mørk materie i og rundt galakser, og hvordan dette bildet utvikler seg med tiden.»
Et av de mest spennende funnene til forskerne var knyttet til klumpetheten til mørk materie. I følge standardteorien for kosmologi, Lambda-CDM-modellen, danner subtile fluktuasjoner i CMB bassenger av tettpakket materie ved å tiltrekke seg omkringliggende materie gjennom gravitasjon. Dette skaper inhomogene klumper som danner stjerner og galakser i disse tette områdene. Gruppens funn tyder på at klumpighetsmålingen deres var lavere enn forutsagt av Lambda-CDM-modellen.
Miyatake sa, "Funnet vårt er fortsatt usikkert. Men hvis det er sant, vil det tyde på at hele modellen er feil når du går lenger tilbake i tid. Dette er spennende fordi hvis resultatet holder etter at usikkerheten er redusert, kan det foreslå en forbedring av modellen som kan gi innsikt i selve mørk materie.»
Andrés Plazas Malagón, en assosiert forsker ved Princeton University, sa: "På dette tidspunktet vil vi prøve å få bedre data for å se om Lambda-CDM-modellen kan forklare våre observasjoner i universet. Og konsekvensen kan være at vi må revidere forutsetningene som gikk inn i denne modellen.»
Michael Strauss, professor og leder av Institutt for astrofysiske vitenskaper ved Princeton University, sa: "En av styrkene ved å se på universet ved å bruke store undersøkelser, som de som ble brukt i denne forskningen, er at du kan studere alt du ser i de resulterende bildene, fra nærliggende asteroider i vårt solsystem til de fjerneste galaksene fra det tidlige universet. Du kan bruke de samme dataene til å utforske mange nye spørsmål."
Tidsreferanse:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Første identifisering av et CMB-linsesignal produsert av 1.5 millioner galakser ved z∼4: Begrensninger på materietetthetsfluktuasjoner ved høy rødforskyvning. Phys. Prest Lett. 129, 061301 – Publisert 1. august 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301
