Et hidtil uset bredt og skarpt kort over mørkt stof

Et forskerhold af flere institutter, herunder National Astronomical Observatory of Japan og University of Tokyo, udgivet et hidtil uset bredt og skarpt kort over mørkt stof baseret på de nyligt opnåede billeddata fra Hyper Suprime-Cam på Subaru-teleskopet. Fordelingen af ​​mørkt stof estimeres ved hjælp af den svage gravitationslinseteknik (Figur 1, film). Holdet lokaliserede positionerne og linsesignalerne for haloerne af mørkt stof og fandt indikationer på, at antallet af glorier kunne være inkonsistent med, hvad den enkleste kosmologiske model antyder. Dette kunne være et nyt spor til at forstå, hvorfor universets udvidelse accelererer.

Mysteriet om det accelererede univers

I 1930'erne, Edwin Hubble og hans kolleger opdagede udvidelsen af ​​universet. Dette var en stor overraskelse for de fleste af de mennesker, der troede, at universet forblev det samme gennem evigheden. En formel, der relaterer stof og rumtidens geometri, var påkrævet for at udtrykke universets udvidelse matematisk. Tilfældigvis, Einstein havde allerede udviklet netop sådan en formel. Moderne kosmologi er baseret på Einsteins teori for tyngdekraften.

Man havde troet, at udvidelsen aftager over tid (blå og røde streger i figur 2), fordi indholdet af universet (stoffet) tiltrækker hinanden. Men i slutningen af ​​1990'erne, det blev konstateret, at udvidelsen har været accelereret siden omkring 8 Giga år siden. Dette var endnu en stor overraskelse, som gav de astronomer, der fandt udvidelsen en Nobelpris i 2011. For at forklare accelerationen, vi er nødt til at overveje noget nyt i universet, som frastøder rummet.

Den enkleste løsning er at sætte den kosmologiske konstant tilbage i Einsteins ligning. Den kosmologiske konstant blev oprindeligt introduceret af Einstein for at realisere et statisk univers, men blev forladt efter opdagelsen af ​​universets udvidelse. Den kosmologiske standardmodel (kaldet LCDM) inkorporerer den kosmologiske konstant. Ekspansionshistorikken ved brug af LCDM er vist med den grønne linje i figur 2. LCDM understøttes af mange observationer, men spørgsmålet om, hvad der forårsager accelerationen, er stadig tilbage. Dette er et af de største problemer i moderne kosmologi.

Bred og dyb billedundersøgelse ved hjælp af Hyper Suprime-Cam

Holdet leder en storstilet billedundersøgelse ved hjælp af Hyper Suprime-Cam (HSC) til at undersøge mysteriet om det accelererende univers. Nøglen her er at undersøge universets ekspansionshistorie meget omhyggeligt.

I det tidlige univers, Stoffet blev fordelt næsten, men ikke helt ensartet. Der var små udsving i tætheden, som nu kan observeres gennem temperaturudsvingene i den kosmiske mikrobølgebaggrund. Disse små stofsvingninger udviklede sig over kosmisk tid på grund af stoffets gensidige gravitationstiltrækning, og til sidst bliver nutidens univers i stor skala struktur synlig. Det er kendt, at væksthastigheden af ​​strukturen stærkt afhænger af, hvordan universet udvider sig. For eksempel, hvis ekspansionshastigheden er høj, det er svært for materien at trække sig sammen, og vækstraten undertrykkes. Dette betyder, at ekspansionshistorien kan undersøges omvendt gennem observation af vækstraten.

Det er vigtigt at bemærke, at væksthastigheden ikke kan undersøges godt, hvis vi kun observerer synligt stof (stjerner og galakser). Dette skyldes, at vi nu ved, at næsten 80 % af stoffet er et usynligt stof kaldet mørkt stof. Holdet anvendte den 'svage gravitationslinseteknik'. Billederne af fjerne galakser er let forvrænget af gravitationsfeltet, der genereres af forgrundsfordelingen af ​​mørkt stof. Analyse af den systematiske forvrængning gør os i stand til at rekonstruere forgrundsfordelingen af ​​mørkt stof.

Denne teknik er observationsmæssigt meget krævende, fordi forvrængningen af ​​hver galakse generelt er meget subtil. Præcise formmålinger af svage og tilsyneladende små galakser er påkrævet. Dette motiverede teamet til at udvikle Hyper Suprime-Cam. De har udført en bred feltundersøgelse ved hjælp af Hyper Suprime-Cam siden marts 2014. Når dette skrives i februar 2018, 60 % af undersøgelsen er gennemført.

Et hidtil uset bredt og skarpt kort over mørkt stof

I denne udgivelse, holdet præsenterer kortet med mørkt stof baseret på billeddataene taget i april 2016 (figur 1). Dette er kun 11 % af det planlagte endelige kort, men den er allerede uhørt bred. Der har aldrig været et så skarpt kort over mørkt stof, der dækker et så bredt område.

Billedobservationer foretages gennem fem forskellige farvefiltre. Ved at kombinere disse farvedata, det er muligt at lave et groft skøn over afstandene til de svage baggrundsgalakser (kaldet fotometrisk rødforskydning). På samme tid, linseeffektiviteten bliver mest fremtrædende, når linsen er placeret direkte mellem den fjerne galakse og observatøren. Ved at bruge de fotometriske rødforskydningsoplysninger, galakser er grupperet i rødforskydningsbeholdere. Ved at bruge denne grupperede galakseprøve, mørk stoffordeling rekonstrueres ved hjælp af tomografiske metoder og dermed kan 3-D-fordelingen opnås. Figur 4 viser et sådant eksempel. Data for 30 kvadratgrader bruges til at rekonstruere rødforskydningsområdet mellem 0,1 (~1,3 G lysår) og 1,0 (~8 G lysår). Ved rødforskydningen på 1,0, vinkelspændet svarer til 1,0 G x 0,25 G lysår. Dette 3-D mørke stof massekort er også ret nyt. Det er første gang, at stigningen i antallet af mørkt stof-haloer over tid kan ses observationsmæssigt.

Hvad den mørke stof halo-tælling antyder og fremtidsudsigter

Holdet talte antallet af mørkt stof-haloer, hvis linsesignal er over en vis tærskel. Dette er en af ​​de enkleste målinger af væksthastigheden. Histogrammet (sort linje) i figur 5 viser den observerede linsesignalstyrke versus antallet af observerede haloer, hvorimod modelforudsigelsen er vist med den ubrudte røde linje. Modellen er baseret på standard LCDM-modellen, der bruger observation af kosmisk mikrobølgebaggrund som kimen til fluktuationerne. Figuren antyder, at antallet af haloer af mørkt stof er mindre end hvad der forventes fra LCDM. Dette kunne indikere, at der er en fejl i LCDM, og at vi måske skal overveje et alternativ snarere end den simple kosmologiske konstant.

Den statistiske signifikans er, imidlertid, stadig begrænset, som de store fejlbjælker (lodret linje på histogrammet i figur 5) antyder. Der har ikke været noget afgørende bevis for at afvise LCDM, men mange astronomer er interesserede i at teste LCDM, fordi uoverensstemmelser kan være en nyttig sonde til at låse op for mysteriet om det accelererende univers. Yderligere observation og analyse er nødvendig for at bekræfte uoverensstemmelsen med højere signifikans. Der er nogle andre prober af væksthastigheden, og en sådan analyse er også i gang (f.eks. vinkelkorrelation af galakseformer) i teamet for at kontrollere gyldigheden af ​​standard LCDM.

Disse resultater blev offentliggjort den 1. januar, 2018 i HSC-særudgaven af ​​Publications of the Astronomical Society of Japan. Rapporten har titlen "Et stort udsnit af forskydningsudvalgte klynger fra Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program S16A Wide field mass maps."