Kolejne przełomowe odkrycie autorstwa Uniwersytet NagoyaSześciu laureatów Nagrody Nobla spogląda wstecz w zakątki kosmosu dalej niż kiedykolwiek wcześniej. We współpracy z University of Tokio i Princeton University, naukowcy ujawnili, w jaki sposób zaobserwowali powstawanie ciemnej materii wokół galaktyk 12 miliardów lat temu, wykorzystując pozostałości promieniowania z Wielkiego Wybuchu.
Oglądanie wydarzeń, które miały miejsce tak dawno, może być trudne. Ze względu na ograniczoną prędkość światła zespół obserwował odległe galaktyki w ich historii sprzed miliarda lat, a nie w ich obecnym stanie. Obserwacja ciemnej materii, która nie wytwarza światła, jest jeszcze większym wyzwaniem.
Rozważ odległą galaktykę źródłową, która jest jeszcze bardziej odległa niż galaktyka docelowa, aby zbadać jej ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami Ogólna teoria względności Einsteina, przyciąganie grawitacyjne galaktyki na pierwszym planie, w tym jej ciemnej materii, zniekształca otoczenie przestrzeń i czas. Pozorny kształt galaktyki zmienia się w wyniku uginania się światła z galaktyki źródłowej podczas przechodzenia przez zniekształcenie. Dystorsja wzrasta wraz z ilością ciemnej materii. Z powodu zniekształcenia naukowcy mogą obliczyć ilość ciemna materia w sąsiedztwie galaktyki pierwszego planu (zwanej również galaktyką „soczewkową”).
Po przekroczeniu pewnego punktu pojawia się problem: galaktyki są niezwykle ciemne w najdalszych zakątkach wszechświata. W rezultacie strategia ta staje się mniej skuteczna, gdy oddalamy się od Ziemi. Aby zidentyfikować sygnał, musi istnieć wiele galaktyk tła, ponieważ zniekształcenia soczewkowania są zazwyczaj niewielkie i trudne do wykrycia.
Większość badań tkwi na tych samych granicach. Oprócz tego, że nie byli w stanie zidentyfikować wystarczająco dużo odległych galaktyk źródłowych, aby zmierzyć zniekształcenia, naukowcy mogli analizować jedynie ciemną materię sprzed nie więcej niż 8-10 miliardów lat.
Te ograniczenia pozostawiły otwartą kwestię rozkład ciemnej materii od tego czasu do 13.7 miliarda lat temu, wokół początku naszego wszechświata.
Naukowcy biorący udział w tym badaniu obchodzą ten problem, wykorzystując dane z obserwacji Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Mogli wykryć 1.5 miliona galaktyk soczewkowych za pomocą światła widzialnego, wybranego do zaobserwowania 12 miliardów lat temu.
Następnie użyli mikrofal z kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) w celu rozwiązania problemu braku światła galaktyki dalej. W szczególności wykorzystali mikrofale obserwowane przez satelitę Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, aby określić ilościowo ciemną materię wokół galaktyk soczewek zniekształconych przez mikrofale.
Profesor Masami Ouchi z Uniwersytetu Tokijskiego powiedział: „Spójrzcie na ciemną materię wokół odległych galaktyk? To był szalony pomysł. Nikt nie zdawał sobie sprawy, że możemy to zrobić. Ale po tym, jak mówiłem o dużej próbce odległej galaktyki, Hironao przyszedł do mnie i powiedział, że możliwe jest przyjrzenie się ciemnej materii wokół tych galaktyk za pomocą CMB”.
Adiunkt Yuichi Harikane z Instytutu Badań nad Promieniowaniem Kosmicznym Uniwersytetu Tokijskiego powiedział: „Większość naukowców wykorzystuje galaktyki źródłowe do pomiaru rozkładu ciemnej materii od teraźniejszości do ośmiu miliardów lat temu. Możemy jednak spojrzeć dalej w przeszłość, ponieważ użyliśmy bardziej odległego CMB do pomiaru ciemnej materii. Po raz pierwszy mierzyliśmy ciemną materię od niemal najwcześniejszych momentów Wszechświata”.
Po wstępnej analizie naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że mają wystarczająco dużą próbkę, aby wykryć rozkład ciemnej materii. Łącząc dużą próbkę odległej galaktyki i zniekształcenia soczewkowania w CMB, wykryli ciemną materię jeszcze dalej w czasie, od 12 miliardów lat temu. To tylko 1.7 miliarda lat po początek wszechświata; w ten sposób galaktyki te są widoczne wkrótce po ich pierwszym uformowaniu.
Wyznaczony przez KMI adiunkt Hironao Miyatake powiedział: „Byłem szczęśliwy, że otworzyliśmy nowe okno na tamtą epokę. 12 miliardów lat temu sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. W procesie formowania widać więcej galaktyk niż obecnie; zaczynają się również formować pierwsze gromady galaktyk. Gromady galaktyk obejmują 100-1000 galaktyk związanych grawitacją z dużą ilością ciemnej materii.”
Neta Bahcall, Eugene Higgins profesor astronomii, profesor nauk astrofizycznych i dyrektor studiów licencjackich na Uniwersytecie Princeton, powiedziała: „Ten wynik daje bardzo spójny obraz galaktyk i ich ewolucję, a także ciemną materię w galaktykach i wokół nich oraz jak ten obraz ewoluuje z czasem”.
Jedno z najbardziej ekscytujących odkryć naukowców było związane z grudkowatością ciemnej materii. Zgodnie ze standardową teorią kosmologii, modelem Lambda-CDM, subtelne fluktuacje w CMB tworzą pule gęsto upakowanej materii poprzez przyciąganie otaczającej materii przez powaga. Tworzy to niejednorodne skupiska, które tworzą gwiazdy i galaktyki w tych gęstych regionach. Wyniki grupy sugerują, że ich pomiar niezdarności był niższy niż przewidywany przez model Lambda-CDM.
Miyatake powiedział: „Nasze odkrycie jest wciąż niepewne. Ale jeśli to prawda, sugerowałoby to, że cały model jest wadliwy, gdy cofasz się w czasie. Jest to ekscytujące, ponieważ jeśli wynik utrzyma się po zmniejszeniu niepewności, może to sugerować ulepszenie modelu, który może zapewnić wgląd w naturę samej ciemnej materii”.
Andrés Plazas Malagón, współpracownik naukowy na Uniwersytecie Princeton, powiedział: „W tym momencie postaramy się uzyskać lepsze dane, aby sprawdzić, czy model Lambda-CDM może wyjaśnić nasze obserwacje we wszechświecie. A konsekwencją może być to, że będziemy musieli ponownie przyjrzeć się założeniom, które weszły w ten model”.
Michael Strauss, profesor i przewodniczący Wydziału Nauk Astrofizycznych na Uniwersytecie Princeton, powiedział: „Jedną z mocnych stron patrzenia na wszechświat za pomocą wielkoskalowych ankiet, takich jak te używane w tym badaniu, jest to, że możesz badać wszystko, co widzisz na powstałych obrazach, z bliska asteroidy w naszym Układzie Słonecznym do najbardziej odległych galaktyk wczesnego Wszechświata. Te same dane możesz wykorzystać do zbadania wielu nowych pytań”.
Referencje czasopisma:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Pierwsza identyfikacja sygnału soczewkowania CMB wytwarzanego przez 1.5 miliona galaktyk przy z∼4: Ograniczenia fluktuacji gęstości materii przy wysokim przesunięciu ku czerwieni. Fiz. Rev. Lett. 129, 061301 – Opublikowany 1 sierpnia 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
