Astrofysikere udfylder 11 milliarder år af universets ekspansionshistorie

Sloan Digital Sky Survey (SDSS) udgav i dag en omfattende analyse af det største tredimensionelle kort over universet, der nogensinde er skabt, udfylde de væsentligste huller i vores mulige udforskning af dens historie.

"Vi kender både universets gamle historie og dets seneste ekspansionshistorie ret godt, men der er et besværligt hul i de midterste 11 milliarder år, " siger kosmolog Kyle Dawson fra University of Utah, som leder holdet, der offentliggør dagens resultater. "I fem år, vi har arbejdet på at udfylde det hul, og vi bruger den information til at give nogle af de mest væsentlige fremskridt inden for kosmologi i det sidste årti."

De nye resultater kommer fra den udvidede Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), et internationalt samarbejde mellem mere end 100 astrofysikere, der er en af ​​SDSS's komponentundersøgelser. Kernen i de nye resultater er detaljerede målinger af mere end to millioner galakser og kvasarer, der dækker 11 milliarder års kosmisk tid.

Vi ved, hvordan universet så ud i sin vorden, takket være de tusindvis af videnskabsmænd fra hele verden, der har målt de relative mængder af grundstoffer skabt kort efter Big Bang, og som har studeret den kosmiske mikrobølgebaggrund. Vi kender også dens ekspansionshistorie over de sidste par milliarder år fra galaksekort og afstandsmålinger, inklusive dem fra tidligere faser af SDSS.

"Taget sammen, detaljerede analyser af eBOSS-kortet og de tidligere SDSS-eksperimenter har nu givet de mest nøjagtige ekspansionshistoriemålinger over det bredeste tidsrum af kosmisk tid, siger Will Percival fra University of Waterloo, eBOSS's Survey Scientist. "Disse undersøgelser giver os mulighed for at forbinde alle disse målinger til en komplet historie om universets udvidelse."

Et nærmere kig på kortet afslører filamenterne og hulrummene, der definerer strukturen i universet, fra det tidspunkt, hvor universet kun var omkring 300, 000 år gammel. Fra dette kort, forskere måler mønstre i udbredelsen af ​​galakser, som giver flere nøgleparametre i vores univers til bedre end én procents nøjagtighed. Signalerne for disse mønstre er vist i indsætningerne i billedet.

Dette kort repræsenterer den samlede indsats fra mere end 20 års kortlægning af universet ved hjælp af Sloan Foundation-teleskopet. Den kosmiske historie, der er blevet afsløret på dette kort, viser, at for omkring seks milliarder år siden, udvidelsen af ​​universet begyndte at accelerere, og er fortsat med at blive hurtigere og hurtigere lige siden. Denne accelererede ekspansion synes at skyldes en mystisk usynlig komponent af universet kaldet "mørk energi, " i overensstemmelse med Einsteins generelle relativitetsteori, men ekstremt vanskelig at forene med vores nuværende forståelse af partikelfysik.

Ved at kombinere observationer fra eBOSS med studier af universet i dets vorden afsløres revner i dette billede af universet. I særdeleshed, eBOSS-holdets måling af universets aktuelle ekspansionshastighed ("Hubble-konstanten") er omkring 10 procent lavere end værdien fundet fra afstande til nærliggende galakser. Den høje præcision af eBOSS-dataene betyder, at det er højst usandsynligt, at dette misforhold skyldes tilfældigheder, og det rige udvalg af eBOSS-data giver os flere uafhængige måder at drage den samme konklusion på.

"Kun med kort som vores kan du faktisk sige med sikkerhed, at der er et misforhold i Hubble-konstanten, " siger Eva-Maria Mueller fra University of Oxford, som førte analysen til at fortolke resultaterne fra den fulde SDSS-prøve. "Disse nyeste kort fra eBOSS viser det tydeligere end nogensinde før."

Der er ingen bredt accepteret forklaring på denne uoverensstemmelse i målte ekspansionshastigheder, men en spændende mulighed er, at en hidtil ukendt form for stof eller energi fra det tidlige univers kan have sat spor i vores historie.

I alt, eBOSS-teamet offentliggjorde i dag resultaterne fra mere end 20 videnskabelige artikler. Disse papirer beskriver, på mere end 500 sider, teamets analyser af de seneste eBOSS-data, markerer afslutningen af ​​undersøgelsens nøglemål.

Inden for eBOSS-teamet, individuelle grupper på universiteter rundt om i verden fokuserede på forskellige aspekter af analysen. For at skabe den del af kortet, der går seks milliarder år tilbage, holdet brugte store, røde galakser. Længere ude, de brugte yngre, blå galakser. Endelig, at kortlægge universet elleve milliarder år i fortiden og mere, de brugte kvasarer, som er lyse galakser oplyst af materiale, der falder ned på et centralt supermassivt sort hul. Hver af disse prøver krævede omhyggelig analyse for at fjerne forurenende stoffer, og afsløre universets mønstre.

"Ved at kombinere SDSS-data med yderligere data fra Cosmic Microwave Background, supernovaer, og andre programmer, vi kan samtidig måle mange grundlæggende egenskaber i universet, " siger Mueller. "SDSS-dataene dækker et så stort stykke kosmisk tid, at de giver de største fremskridt for enhver sonde til at måle universets geometriske krumning, finder det fladt. De tillader også målinger af den lokale ekspansionsrate til bedre end én procent."

eBOSS, og SDSS mere generelt, forlader puslespillet af mørk energi, og misforholdet mellem lokal og tidlig univers ekspansionshastighed, som en arv til fremtidige projekter. I det næste årti, fremtidige undersøgelser kan løse gåden, eller måske, vil afsløre flere overraskelser.

I mellemtiden med fortsat støtte fra Alfred P. Sloan Foundation og institutionelle medlemmer, SDSS er langtfra færdig med sin mission om at kortlægge universet. Karen Masters fra Haverford College, Talsmand for den nuværende fase af SDSS, beskrev hendes begejstring for den næste fase. "Sloan Foundation Telescope og dets næsten tvilling ved Las Campanas Observatory vil fortsætte med at gøre astronomiske opdagelser, der kortlægger millioner af stjerner og sorte huller, efterhånden som de ændrer sig og udvikler sig over kosmisk tid." SDSS-teamet har travlt med at bygge hardwaren til at starte denne nye fase og ser frem til de nye opdagelser i de næste 20 år.