Ännu en banbrytande upptäckt av Nagoya Universitys sex nobelpristagare ser tillbaka till delar av rymden längre än någonsin tidigare. I samarbete med University of Tokyo och Princeton University, avslöjade forskare hur de observerade bildandet av mörk materia runt galaxer för 12 miljarder år sedan, med hjälp av strålningsrester från Big Bang.
Det kan vara utmanande att se händelser som hände så länge sedan. På grund av ljusets begränsade hastighet observerade teamet avlägsna galaxer i sin historia före miljarder år i stället för i deras nuvarande tillstånd. Att observera mörk materia, som inte producerar ljus, är ännu mer utmanande.
Tänk på en avlägsen källgalax som är ännu mer avlägsen än målgalaxen för att studera dess mörka materia. Som förutspått av Einsteins allmänna relativitetsteori, förgrundsgalaxens gravitationskraft, inklusive dess mörka materia, förvränger omgivningen rum och tid. Galaxens skenbara form förändras som ett resultat av att ljuset från källgalaxen böjs när det passerar genom distorsionen. Förvrängningen ökar med mängden mörk materia. På grund av snedvridningen kan forskare beräkna mängden mörk materia i närheten av förgrundsgalaxen (även känd som "lins"-galaxen).
Bortom en viss punkt uppstår ett problem: Galaxer är extremt mörka längst bort i universum. Som ett resultat blir denna strategi mindre framgångsrik när vi tittar längre bort från jorden. Det måste finnas många bakgrundsgalaxer för att identifiera signalen eftersom linsförvrängningen vanligtvis är blygsam och utmanande att upptäcka.
De flesta av studierna har fastnat vid samma gränser. Förutom att de inte kunde identifiera tillräckligt med avlägsna källgalaxer för att mäta förvrängningen, kunde forskare bara analysera mörk materia från inte mer än 8-10 miljarder år sedan.
Dessa begränsningar lämnade öppen frågan om fördelning av mörk materia mellan denna tid och för 13.7 miljarder år sedan, runt början av vårt universum.
Forskare i denna studie kommer runt detta problem genom att använda data från Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC) observationer. De kunde upptäcka 1.5 miljoner linsgalaxer med hjälp av synligt ljus, utvalda för att ses för 12 miljarder år sedan.
Därefter använde de mikrovågor från kosmisk mikrovågsugn bakgrund (CMB) för att åtgärda bristen på galaxljus längre bort. De använde speciellt mikrovågor som observerats av Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit för att kvantifiera den mörka materien runt linsgalaxerna som förvrängs av mikrovågorna.
Professor Masami Ouchi vid University of Tokyo sa, "Titta på mörk materia runt avlägsna galaxer? Det var en galen idé. Ingen insåg att vi kunde göra det här. Men efter att jag pratade om ett stort avlägset galaxprov kom Hironao till mig och sa att det kan vara möjligt att titta på mörk materia runt dessa galaxer med CMB.
Biträdande professor Yuichi Harikane vid Institutet för kosmisk strålforskning, University of Tokyo, sa: "De flesta forskare använder källgalaxer för att mäta distributionen av mörk materia från nutid till för åtta miljarder år sedan. Men vi kunde titta längre in i det förflutna eftersom vi använde den mer avlägsna CMB för att mäta mörk materia. För första gången mätte vi mörk materia från nästan universums tidigaste ögonblick."
Efter en preliminär analys insåg forskarna snart att de hade ett tillräckligt stort prov för att upptäcka fördelningen av mörk materia. Genom att kombinera det stora avlägsna galaxprovet och linsförvrängningarna i CMB upptäckte de mörk materia ännu längre tillbaka i tiden, från 12 miljarder år sedan. Detta är bara 1.7 miljarder år efter universums början; sålunda ses dessa galaxer strax efter att de först bildades.
KMI utsedd biträdande professor Hironao Miyatake sa, "Jag var glad att vi öppnade ett nytt fönster in i den eran. För 12 miljarder år sedan var det väldigt annorlunda. Du ser fler galaxer i bildningsprocessen än för närvarande; de första galaxhoparna börjar också bildas. Galaxhopar omfattar 100-1000 galaxer bundna av gravitation med stora mängder mörk materia."
Neta Bahcall, Eugene Higgins professor i astronomi, professor i astrofysiska vetenskaper och chef för grundstudier vid Princeton University, sa: ”Detta resultat ger en mycket konsekvent bild av galaxer och deras utveckling, såväl som den mörka materien i och runt galaxer, och hur denna bild utvecklas med tiden."
Ett av forskarnas mest spännande fynd var relaterat till mörk materias klumpighet. Enligt standardteorin för kosmologi, Lambda-CDM-modellen, bildar subtila fluktuationer i CMB pooler av tätt packad materia genom att attrahera omgivande materia genom tyngdkraften. Detta skapar inhomogena klumpar som bildar stjärnor och galaxer i dessa täta områden. Gruppens resultat tyder på att deras klumpighetsmätning var lägre än vad Lambda-CDM-modellen förutspådde.
Miyatake sa, "Vårt fynd är fortfarande osäkert. Men om det är sant, skulle det tyda på att hela modellen är felaktig när du går längre tillbaka i tiden. Det här är spännande eftersom om resultatet håller efter att osäkerheterna har minskat, kan det föreslå en förbättring av modellen som kan ge insikt i själva mörk materias natur.”
Andrés Plazas Malagón, en associerad forskare vid Princeton University, sa: "Vid det här laget kommer vi att försöka få bättre data för att se om Lambda-CDM-modellen kan förklara våra observationer i universum. Och konsekvensen kan bli att vi måste se över de antaganden som ingick i den här modellen.”
Michael Strauss, professor och ordförande för institutionen för astrofysiska vetenskaper vid Princeton University, sa: "En av styrkorna med att titta på universum med hjälp av storskaliga undersökningar, som de som används i denna forskning, är att du kan studera allt du ser i de resulterande bilderna, från närliggande asteroider i vårt solsystem till de mest avlägsna galaxerna från det tidiga universum. Du kan använda samma data för att utforska många nya frågor."
Tidskriftsreferens:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Första identifieringen av en CMB-linssignal producerad av 1.5 miljoner galaxer vid z∼4: Begränsningar på materiedensitetsfluktuationer vid hög rödförskjutning. Phys. Pastor Lett. 129, 061301 – Publicerad 1 augusti 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
