Ще одне новаторське відкриття Університет НагоїШестеро лауреатів Нобелівської премії дивляться назад у частини космосу далі, ніж будь-коли раніше. У співпраці з Токійський університет та Прінстонський університет, дослідники розповіли, як вони спостерігали утворення темної матерії навколо галактик 12 мільярдів років тому, використовуючи залишки випромінювання від Великого вибуху.
Може бути важко побачити події, які відбулися так давно. Через обмежену швидкість світла команда спостерігала за далекими галактиками в їх історії до мільярда років, а не в їх теперішньому стані. Спостереження за темною матерією, яка не виробляє світло, ще складніше.
Розглянемо далеку галактику-джерело, яка навіть більш віддалена, ніж цільова галактика, для вивчення її темної матерії. Як і передбачав Теорія загальної теорії відносності Ейнштейна, гравітаційне тяжіння передньої галактики, включаючи її темну матерію, спотворює навколишнє простір і час. Видима форма галактики змінюється в результаті викривлення світла від галактики-джерела, яке проходить через викривлення. Спотворення зростає зі збільшенням кількості темної матерії. Через спотворення дослідники можуть розрахувати кількість темну матерію в околицях галактики переднього плану (також відомої як галактика «лінза»).
Після певного моменту виникає проблема: галактики надзвичайно тьмяні в найвіддаленіших куточках Всесвіту. У результаті ця стратегія стає менш успішною, чим далі ми дивимося від Землі. Для ідентифікації сигналу має бути багато фонових галактик, оскільки спотворення лінзи зазвичай незначне, і його важко виявити.
Більшість досліджень застрягли на тих самих межах. Крім того, що вчені не змогли ідентифікувати досить віддалені галактики-джерела, щоб виміряти викривлення, вони могли аналізувати лише темну матерію не більше 8-10 мільярдів років тому.
Ці обмеження залишили відкритим питання про розподіл темної матерії від цього часу до 13.7 мільярдів років тому, приблизно на початку нашого Всесвіту.
Дослідники в цьому дослідженні обходять цю проблему, використовуючи дані спостережень Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Вони могли виявити 1.5 мільйона лінзових галактик за допомогою видимого світла, вибраного для спостереження 12 мільярдів років тому.
Далі вони використовували мікрохвильові печі від космічний мікрохвильовий фон (CMB), щоб вирішити проблему нестачі світла галактик у віддалених галактиках. Вони особливо використовували мікрохвилі, які спостерігав супутник Європейського космічного агентства «Планк», щоб кількісно визначити темну матерію навколо лінзових галактик, спотворену мікрохвилями.
Професор Масамі Оучі з Токійського університету сказав, «Подивіться на темну матерію навколо далеких галактик? Це була божевільна ідея. Ніхто не здогадувався, що ми можемо це зробити. Але після того, як я розповів про великий зразок віддаленої галактики, Хіронао підійшов до мене і сказав, що, можливо, можна подивитися на темну матерію навколо цих галактик за допомогою CMB».
Доцент Юїчі Харікане з Інституту дослідження космічних променів Токійського університету сказав: «Більшість дослідників використовують вихідні галактики для вимірювання розподілу темної матерії від сьогодення до восьми мільярдів років тому. Однак ми могли б зазирнути далі в минуле, оскільки ми використовували більш віддалений CMB для вимірювання темної матерії. Вперше ми вимірювали темну матерію майже з найдавніших моментів існування Всесвіту».
Після попереднього аналізу дослідники незабаром зрозуміли, що вони мають досить великий зразок, щоб виявити розподіл темної матерії. Комбінуючи вибірку великої віддаленої галактики та викривлення лінз у CMB, вони виявили темну матерію ще далі в часі, 12 мільярдів років тому. Це лише через 1.7 мільярда років початок Всесвіту; таким чином, ці галактики видно незабаром після їх першого формування.
Призначений доцент KMI Хіронао Міятаке сказав: «Я був щасливий, що ми відкрили нове вікно в ту епоху. 12 мільярдів років тому все було зовсім інакше. Ви бачите більше галактик у процесі формування, ніж зараз; також починають формуватися перші скупчення галактик. Скупчення галактик складаються з 100-1000 галактик, пов’язаних гравітацією з великою кількістю темної матерії».
Нета Баколл, професор астрономії Юджина Хіггінса, професор астрофізичних наук і директор бакалаврату Прінстонського університету, сказала: «Цей результат дає дуже стабільний результат зображення галактик і їхня еволюція, а також темна матерія в галактиках і навколо них, і як ця картина розвивається з часом».
Одне з найбільш захоплюючих відкриттів дослідників було пов’язане зі згустковістю темної матерії. Відповідно до стандартної теорії космології, моделі лямбда-CDM, тонкі флуктуації реліктового випромінювання утворюють пули щільно упакованої матерії, притягуючи навколишню матерію через вага. Це створює неоднорідні згустки, які утворюють зірки та галактики в цих щільних областях. Висновки групи свідчать про те, що їх вимірювання грудкуватості було нижчим, ніж передбачено моделлю Lambda-CDM.
Міятаке сказав, «Наша знахідка все ще невизначена. Але якщо це правда, це означає, що вся модель має недоліки, коли ви повертаєтеся далі в минуле. Це захоплююче, тому що якщо результат збережеться після зменшення невизначеності, це може запропонувати вдосконалення моделі, яка може дати розуміння природи самої темної матерії».
Андрес Плазас Малагон, асоційований науковий співробітник Прінстонського університету, сказав: «На даний момент ми спробуємо отримати кращі дані, щоб побачити, чи зможе модель Lambda-CDM пояснити наші спостереження у Всесвіті. І наслідком цього може бути те, що нам доведеться переглянути припущення, які увійшли в цю модель».
Майкл Штраус, професор і голова кафедри астрофізичних наук Прінстонського університету, сказав: «Одна з сильних сторін дослідження Всесвіту за допомогою широкомасштабних опитувань, таких як ті, що використовуються в цьому дослідженні, полягає в тому, що ви можете вивчати все, що ви бачите на отриманих зображеннях, поблизу астероїдів нашої сонячної системи до найвіддаленіших галактик раннього Всесвіту. Ви можете використовувати ті самі дані, щоб досліджувати багато нових питань».
Довідка з журналу:
- Хіронао Міятаке, Юічі Харікане та ін. Перша ідентифікація сигналу лінзи CMB, створюваного 1.5 мільйонами галактик при z∼4: обмеження на флуктуації щільності матерії при високому червоному зміщенні. Фіз. Rev. Lett. 129, 061301 – Опубліковано 1 серпня 2022 р. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301
