Az Ősrobbanás sugárzási maradéka, amelyet a sötét anyag torzított el 12 milliárd évvel ezelőtt. Köszönetnyilvánítás: Reiko Matsushita
A tudósok a galaxisok körüli sötét anyag természetét tárták fel, ahogyan azok 12 milliárd évvel ezelőtt kinéztek, ami több milliárd évvel távolabbi az időben, mint valaha. Eredményeik azt a kínzó lehetőséget kínálják, hogy a kozmológia alapvető szabályai eltérhetnek univerzumunk korai történetét vizsgálva. Az együttműködést a tudósok vezették
„Őrült ötlet volt. Senki sem tudta, hogy ezt megtehetjük.” — Masami Ouchic professzor
Tekintsünk egy távoli forrásgalaxist, még annál is távolabb, mint a célgalaxis, amelynek sötét anyagát vizsgálni akarjuk. Amint azt Einstein általános relativitáselmélete megjósolta, az előtérben lévő galaxis gravitációs vonzása, beleértve a sötét anyagot is, torzítja a környező teret és időt. Ahogy a forrásgalaxis fénye áthalad ezen a téridő-torzuláson, meghajlik és megváltoztatja a galaxis látszólagos alakját. Minél nagyobb a sötét anyag mennyisége, annál nagyobb a torzulás. Ezért a csillagászok meg tudják mérni az előtérgalaxist (a “lencsegalaxist”) körülvevő sötét anyag mennyiségét annak torzítása alapján.
Egy bizonyos küszöb felett azonban a tudósok problémába ütköznek. Az univerzum legmélyebb pontjain a galaxisok hihetetlenül homályosak. Ennek eredményeként minél távolabbra nézünk a Földtől, annál kevésbé lesz hatékony a gravitációs lencsés technika. Mivel a lencse torzulása a legtöbb esetben finom és nehezen észlelhető, sok háttérgalaxisra van szükség a jel észleléséhez.
A legtöbb korábbi tanulmány ugyanazon a határon ragadt. Mivel nem tudtak elég távoli forrásgalaxist észlelni a torzítás méréséhez, csak 8-10 milliárd évvel ezelőtti sötét anyagot tudtak elemezni. Ezek a korlátok nyitva hagyták a sötét anyag eloszlásának kérdését ez idő és a 13,7 milliárd évvel ezelőtti, univerzumunk kezdete közötti időszak között.
E kihívások kezelésére és a sötét anyag megfigyelésére az univerzum legtávolabbi pontjain a Hironao Miyatake, a Nagoya Egyetem munkatársa által vezetett kutatócsoport a Tokiói Egyetemmel együttműködve a Japán Nemzeti Csillagászati Obszervatóriumot és a Princeton Egyetemet használta. háttérfény forrása, maga az Ősrobbanás által kibocsátott mikrohullámú sütő.
Először is, a Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC) megfigyeléseiből származó adatok felhasználásával a csapat 1,5 millió látható fényű lencserendszert azonosított, amelyet 12 milliárd évvel ezelőtt láttak el.
Ezután, hogy a galaxis fényhiányát még távolabb is leküzdjék, a kozmikus mikrohullámú háttérből (CMB) származó mikrohullámokat, a sugárzási maradékot használták fel.
“A legtöbb kutató forrásgalaxisokat használ a sötét anyag eloszlásának mérésére a jelentől a nyolcmilliárd évvel ezelőttig” – tette hozzá Yuichi Harikane adjunktus, a Tokiói Egyetem Kozmikus Sugárkutató Intézetének munkatársa. „Azonban visszatekinthetnénk a múltba, mert a sötét anyag mérésére a távolabbi CMB-t használtuk. Először mértük meg a sötét anyagot az univerzum szinte legkorábbi pillanataiból.
Az előzetes elemzés után a tudósok hamar rájöttek, hogy elég nagy mintával rendelkeznek a sötét anyag eloszlásának kimutatásához. A távoli galaxisok nagy mintájának és a CMB lencsék torzításainak kombinálásával még távolabbról, 12 milliárd évvel ezelőttről fedezték fel a sötét anyagot. Ez mindössze 1,7 milliárd évvel az Univerzum kezdete után következik be, tehát ezek a galaxisok röviddel az első kialakulásuk után láthatók.
“Örülök, hogy új ablakot nyitottunk arra a korszakra” – mondta Miyatake. „12 milliárd évvel ezelőtt minden nagyon más volt. Több galaxist látsz kialakulóban, mint most; az első galaxishalmazok is kezdenek kialakulni.” A galaxishalmazok 100-1000 galaxist foglalnak magukban, amelyek gravitációsan kötődnek nagy mennyiségű sötét anyaggal.
“Ez az eredmény nagyon konzisztens képet ad a galaxisokról és evolúciójukról, valamint a galaxisokban és körülöttük lévő sötét anyagról, valamint arról, hogy ez a kép hogyan alakul az idő múlásával” – mondta Neta Bahcall, Eugene Higgins csillagászprofesszor, az asztrofizikai tudományok professzora. alapképzési igazgatója a
A kutatás egyik legizgalmasabb felfedezése a sötét anyag csomósodásával kapcsolatos. A kozmológia szabványos elmélete, a Lambda-CDM modell szerint a CMB finom fluktuációi sűrűn tömött anyagok medencéit alkotják azáltal, hogy a gravitáció által vonzzák a környező anyagot. Ez inhomogén csomókat hoz létre, amelyek csillagokat és galaxisokat alkotnak ezeken a sűrű területeken. A csoport eredményei azt sugallják, hogy a csomósodási mérésük alacsonyabb volt, mint a Lambda-CDM modell által előre jelzett.
Miyatake izgatott a lehetőségek miatt. “A megállapításunk még mindig bizonytalan” – mondta. “De ha igaz, az azt jelzi, hogy az egész modell hibás, ha tovább megy az időben. Ez azért izgalmas, mert ha az eredmény a bizonytalanságok csökkentése után is fennáll, az a modell fejlesztésére utalhat, amely betekintést nyújthat a magának a sötét anyagnak a természete.”
“Jelenleg megpróbálunk jobb adatokat szerezni, hogy megtudjuk, vajon a Lambda-CDM modell valóban képes-e megmagyarázni az univerzumban megfigyeléseinket” – mondta Andrés Plazas Malagón, a Princetoni Egyetem kutatótársa. “És ennek eredményeként lehet, hogy újra kell gondolnunk a modellben megfogalmazott feltételezéseket.”
„Az egyik erőssége, ha az univerzumot nagyszabású, például ebben a tanulmányban használt tanulmányokkal szemléljük, az, hogy mindent tanulmányozhatunk, amit az eredményül kapott képeken látunk, a Naprendszerünk közeli aszteroidáitól a legtávolabbi galaxisokig. a korai univerzum. Ugyanazokat az adatokat felhasználhatja számos új kérdés feltárására” – mondta Michael Strauss, a Princetoni Egyetem Asztrofizikai Tudományok Tanszékének professzora.
Ez a tanulmány a meglévő teleszkópok, köztük a Planck és a Subaru adatait használta fel. A csoport a Subaru Hyper Suprime-Cam felmérés adatainak csak egyharmadát tekintette át. A következő lépés a teljes adathalmaz elemzése, amely lehetővé teszi a sötét anyag eloszlásának pontosabb mérését. A jövőben a kutatócsoport egy olyan fejlett adatkészletet kíván használni, mint a Vera C. Rubin Observatory’s Legacy Survey of Space and Time (LSST) a tér legkorábbi részeinek feltárására. “Az LSST-vel a fél égboltot megfigyelhetjük” – mondta Harikane. “Nem látok okot arra, hogy miért ne láthattuk volna a sötét anyag eloszlását 13 milliárd évvel ezelőtt.”
Hivatkozás: “1,5 millió galaxis által előállított CMB-lencsejel első azonosítása z~4-nél: az anyagsűrűség ingadozásának korlátai nagy vöröseltolódásnál” Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, Masami Ouchi, Yoshiaki Ono, Nanaka Yamamoto, Nishizawashi J. , Neta Bahcall, Satoshi Miyazaki és Andrés A. Plazas Malaga, 2022. augusztus 1., Fizikai értékelő levelek.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301