Một khám phá đột phá khác của Đại học NagoyaSáu người đoạt giải Nobel nhìn lại các phần của không gian xa hơn bao giờ hết. Phối hợp với Đại học Tokyo và Đại học Princeton, các nhà nghiên cứu tiết lộ cách họ quan sát sự hình thành vật chất tối xung quanh các thiên hà cách đây 12 tỷ năm, sử dụng dư lượng bức xạ từ Vụ nổ lớn.
Có thể là một thách thức để xem các sự kiện đã xảy ra cách đây rất lâu. Do tốc độ ánh sáng hạn chế, nhóm nghiên cứu đã quan sát các thiên hà xa xôi trong lịch sử hàng tỷ năm của chúng chứ không phải ở trạng thái hiện tại. Việc quan sát vật chất tối không tạo ra ánh sáng vẫn còn nhiều thách thức hơn.
Hãy xem xét một thiên hà nguồn xa xôi thậm chí còn xa hơn thiên hà mục tiêu để nghiên cứu vật chất tối của nó. Theo dự đoán của Thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn của thiên hà tiền cảnh, bao gồm cả vật chất tối của nó, làm biến dạng xung quanh không gian và thời gian. Hình dạng biểu kiến của thiên hà bị thay đổi do ánh sáng từ thiên hà nguồn bị bẻ cong khi nó đi qua sự biến dạng. Sự biến dạng tăng lên cùng với lượng vật chất tối. Do sự biến dạng, các nhà nghiên cứu có thể tính toán lượng vật chất tối trong vùng lân cận của thiên hà tiền cảnh (còn được gọi là thiên hà "thấu kính").
Ngoài một điểm nhất định, một vấn đề nảy sinh: Các thiên hà cực kỳ mờ ở những vùng xa nhất của vũ trụ. Kết quả là, chiến lược này ít thành công hơn khi chúng ta nhìn xa Trái đất hơn. Phải có nhiều thiên hà nền để xác định tín hiệu vì độ méo thấu kính thường rất khiêm tốn và khó phát hiện.
Hầu hết các nghiên cứu đều bị mắc kẹt ở cùng một giới hạn. Bên cạnh việc không thể xác định đủ các thiên hà nguồn xa để đo độ biến dạng, các nhà khoa học chỉ có thể phân tích vật chất tối từ 8 - 10 tỷ năm trước.
Những hạn chế này đã bỏ ngỏ câu hỏi về sự phân bố của vật chất tối từ thời điểm này đến 13.7 tỷ năm trước, vào khoảng thời gian đầu vũ trụ của chúng ta.
Các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu này giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng dữ liệu từ các quan sát của Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Họ có thể phát hiện 1.5 triệu thiên hà thấu kính bằng ánh sáng khả kiến, được chọn để nhìn thấy cách đây 12 tỷ năm.
Tiếp theo, họ sử dụng vi sóng từ nền vi sóng vũ trụ (CMB) để giải quyết tình trạng thiếu ánh sáng của thiên hà ở xa hơn. Họ đặc biệt sử dụng vi sóng được quan sát bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu để định lượng vật chất tối xung quanh các thiên hà thấu kính bị vi sóng làm méo mó.
Giáo sư Masami Ouchi của Đại học Tokyo cho biết, “Nhìn vào vật chất tối xung quanh các thiên hà xa xôi? Đó là một ý tưởng điên rồ. Không ai nhận ra chúng tôi có thể làm được điều này. Nhưng sau khi tôi nói về một mẫu thiên hà lớn ở xa, Hironao đã đến gặp tôi và nói rằng có thể quan sát vật chất tối xung quanh các thiên hà này bằng CMB ”.
Trợ lý Giáo sư Yuichi Harikane thuộc Viện Nghiên cứu Tia Vũ trụ, Đại học Tokyo, cho biết, “Hầu hết các nhà nghiên cứu sử dụng các thiên hà nguồn để đo sự phân bố vật chất tối từ hiện tại đến tám tỷ năm trước. Tuy nhiên, chúng ta có thể nhìn xa hơn về quá khứ vì chúng ta đã sử dụng CMB ở khoảng cách xa hơn để đo vật chất tối. Lần đầu tiên, chúng tôi đo vật chất tối từ gần như những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ ”.
Sau khi phân tích sơ bộ, các nhà nghiên cứu sớm nhận ra rằng họ có một mẫu đủ lớn để phát hiện sự phân bố của vật chất tối. Kết hợp giữa mẫu thiên hà rộng lớn ở xa và sự biến dạng thấu kính trong CMB, họ đã phát hiện ra vật chất tối ở thời điểm xa hơn, từ 12 tỷ năm trước. Đây chỉ là 1.7 tỷ năm sau sự khởi đầu của vũ trụ; do đó, những thiên hà này được nhìn thấy ngay sau khi chúng mới hình thành.
Trợ lý được chỉ định của KMI, Giáo sư Hironao Miyatake cho biết, “Tôi rất vui vì chúng tôi đã mở ra một cánh cửa mới vào thời đại đó. 12 tỷ năm trước, mọi thứ rất khác. Bạn nhìn thấy nhiều thiên hà đang trong quá trình hình thành hơn hiện tại; các cụm thiên hà đầu tiên cũng đang bắt đầu hình thành. Các cụm thiên hà bao gồm 100-1000 thiên hà bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn với một lượng lớn vật chất tối ”.
Neta Bahcall, Giáo sư Thiên văn học Eugene Higgins, giáo sư khoa học vật lý thiên văn, và giám đốc nghiên cứu đại học tại Đại học Princeton, cho biết, “Kết quả này đưa ra một kết quả rất nhất quán hình ảnh của các thiên hà và sự tiến hóa của chúng, cũng như vật chất tối trong và xung quanh các thiên hà, và bức tranh này tiến hóa như thế nào theo thời gian. "
Một trong những phát hiện thú vị nhất của các nhà nghiên cứu là liên quan đến sự kết khối của vật chất tối. Theo lý thuyết tiêu chuẩn của vũ trụ học, mô hình Lambda-CDM, các dao động tinh vi trong CMB tạo thành các nhóm vật chất dày đặc bằng cách thu hút vật chất xung quanh qua lực hấp dẫn. Điều này tạo ra các đám đông không đồng nhất hình thành các ngôi sao và thiên hà trong những vùng dày đặc này. Các phát hiện của nhóm cho thấy rằng phép đo độ vón cục của họ thấp hơn so với dự đoán của mô hình Lambda-CDM.
Miyatake nói, “Phát hiện của chúng tôi vẫn chưa chắc chắn. Nhưng nếu nó là sự thật, nó sẽ cho thấy rằng toàn bộ mô hình là sai sót khi bạn quay ngược thời gian xa hơn. Điều này rất thú vị bởi vì nếu kết quả được duy trì sau khi độ không chắc chắn được giảm bớt, nó có thể gợi ý một sự cải tiến của mô hình có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về bản chất của chính vật chất tối ”.
Andrés Plazas Malagón, một học giả nghiên cứu liên kết tại Đại học Princeton, cho biết, “Tại thời điểm này, chúng tôi sẽ cố gắng thu thập dữ liệu tốt hơn để xem liệu mô hình Lambda-CDM có thể giải thích những quan sát của chúng tôi trong vũ trụ hay không. Và hệ quả có thể là chúng ta cần xem xét lại các giả định đã đi vào mô hình này ”.
Michael Strauss, một giáo sư và chủ nhiệm Khoa Khoa học Vật lý Thiên văn tại Đại học Princeton, cho biết, “Một trong những điểm mạnh của việc nhìn vào vũ trụ bằng cách sử dụng các cuộc khảo sát quy mô lớn, chẳng hạn như các cuộc khảo sát được sử dụng trong nghiên cứu này, là bạn có thể nghiên cứu mọi thứ mà bạn nhìn thấy trong các hình ảnh thu được, từ những nơi lân cận tiểu hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta đến những thiên hà xa nhất từ vũ trụ sơ khai. Bạn có thể sử dụng cùng một dữ liệu để khám phá nhiều câu hỏi mới ”.
Tạp chí tham khảo:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Nhận dạng đầu tiên về tín hiệu thấu kính CMB được tạo ra bởi 1.5 triệu thiên hà ở z∼4: Những hạn chế đối với sự dao động của mật độ vật chất ở độ dịch chuyển đỏ cao. Thể chất. Rev. Lett. 129, 061301 - Xuất bản ngày 1 tháng 2022 năm XNUMX. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
