Ny måling af kosmiske afstande i undersøgelsen af ​​mørk energi giver fingerpeg om den mørke energis natur

Vi har nu en standardmodel for kosmologi, den nuværende version af Big Bang-teorien. Selvom det har vist sig meget vellykket, er dets konsekvenser svimlende. Vi kender kun 5 % af universets indhold, hvilket er normalt stof. De resterende 95 % består af to eksotiske enheder, der aldrig er blevet produceret i laboratoriet, og hvis fysiske karakter stadig er ukendt.

Det er mørkt stof, som står for 25 % af kosmos indhold, og mørk energi, som bidrager med 70 %. I standardmodellen for kosmologi er mørk energi det tomme rums energi, og dens tæthed forbliver konstant gennem hele universets udvikling.

Ifølge denne teori forplantede lydbølger sig i det meget tidlige univers. I de tidlige stadier havde universet en enorm temperatur og tæthed. Trykket i denne indledende gas forsøgte at skubbe partiklerne, der dannede den fra hinanden, mens tyngdekraften forsøgte at trække dem sammen, og konkurrencen mellem de to kræfter skabte lydbølger, der forplantede sig fra universets begyndelse indtil omkring 400.000 år efter Big Bang .

På det tidspunkt holdt strålingen og stoffet op med at interagere, og bølgerne blev frosset og efterlod et aftryk på stoffets rumlige fordeling. Dette aftryk observeres som en lille præferenceophobning af galakser adskilt af en karakteristisk afstand, kaldet Baryon Acoustic Oscillations (BAO)-skalaen af ​​kosmologer, og svarer til den afstand, som lydbølgerne har tilbagelagt i disse 400.000 år.

En ny måling af den kosmiske afstand

Dark Energy Survey (DES) har netop målt BAO-skalaen, da universet var halvdelen af ​​dets nuværende alder med en nøjagtighed på 2%, den mest nøjagtige bestemmelse endnu på en så tidlig epoke, og første gang en måling, der kun er billeddannende, er konkurrencedygtig med store spektroskopikampagner specielt designet til at detektere dette signal.

Den afstand lydbølgen tilbagelægger i det tidlige univers afhænger af velkendte fysiske processer, så den kan bestemmes med stor præcision og sætter en målestok for universet. Det er, hvad kosmologer kalder en standardlineal. I dette tilfælde har den en længde på omkring 500 millioner lysår.

Ved at observere den vinkel, som denne standardlineal anbringer i himlen i forskellige afstande (eller med andre ord, i forskellige epoker i universet), kan man bestemme historien om den kosmiske udvidelse og med den mørke energis fysiske egenskaber . Det kan især bestemmes ved at analysere den kosmiske mikrobølgebaggrund, den stråling, der blev frigivet, da atomer blev dannet, 400.000 år efter Big Bang, der giver os et øjebliksbillede af det meget tidlige univers, som offentliggjort af Planck-samarbejdet i 2018.

Det kan også bestemmes i det sene univers ved at studere BAO-skalaen i galaksekortlægninger, som DES har gjort. At analysere konsistensen af ​​begge bestemmelser er en af ​​de mest krævende test af standardmodellen for kosmologi.

"Det er en kilde til stolthed at se, hvordan DES efter næsten tyve års kontinuerlig indsats producerer videnskabelige resultater af højeste relevans inden for kosmologi," siger Eusebio Sánchez, leder af kosmologigruppen hos CIEMAT. "Det er en fremragende belønning for den indsats, der er investeret i projektet."

"Det, vi observerede, er, at galakser har en større tendens til at være adskilt fra hinanden med en vinkel på 2,90 grader på himlen sammenlignet med andre afstande," kommenterer Santiago Ávila, en postdoc-forsker ved IFAE og en af ​​koordinatorerne for analysen. "Det er signalet! Bølgen kan tydeligt ses i dataene," tilføjer han med henvisning til den første figur. "Det er en subtil præference, men statistisk relevant," siger han, "og vi kan bestemme bølgemønsteret med en nøjagtighed på 2%. Til reference optager fuldmånen en halv grad i diameter på himlen. Så hvis vi var i stand til for at se galakserne med det blotte øje, ville BAO-afstanden ligne seks fuldmåner."

16 millioner galakser til at måle universet for 7 milliarder år siden

Til at måle BAO-skalaen har DES brugt 16 millioner galakser, fordelt over en ottendedel af himlen, som er blevet specielt udvalgt til at bestemme, hvor langt væk de er med tilstrækkelig præcision.

"Det er vigtigt at udvælge en prøve af galakser, der giver os mulighed for at måle BAO-skalaen så nøjagtigt som muligt," siger Juan Mena, der har lavet sin ph.d. på CIEMAT på dette studie og er nu postdoc-forsker ved Laboratory of Subatomic Physics and Cosmology i Grenoble (Frankrig). "Vores prøve er optimeret til at have et godt kompromis mellem et større antal galakser og den sikkerhed, hvormed vi kan bestemme deres afstand."

Kosmologiske afstande er så store, at lyset tager milliarder af år om at nå os, hvilket giver os mulighed for at observere den kosmiske fortid. Prøven af ​​galakser brugt i denne undersøgelse åbner et vindue ind i universet for syv milliarder år siden, lidt mindre end halvdelen af ​​dets nuværende alder.

"En af de mest komplicerede opgaver i processen er at rense galakseprøven for observationsforurenende stoffer:skelne mellem galakser og stjerner eller afbøde atmosfærens indvirkning på billederne," siger Martín Rodríguez Monroy, en postdoktor ved IFT i Madrid. .

Tit om den mystiske mørke energi

Et interessant resultat af denne undersøgelse er, at størrelsen disse bølger optager på himlen er 4 % større end forudsagt fra målinger foretaget af ESA's Planck-satellit i det tidlige univers ved hjælp af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling. I betragtning af prøven af ​​galakser og usikkerheden i analysen har denne uoverensstemmelse en 5% chance for at være en ren statistisk udsving. Hvis det ikke var, kunne vi se på et af de første spor om, at den nuværende teori om kosmologi ikke er helt komplet, og den fysiske natur af de mørke komponenter er endnu mere eksotisk end tidligere antaget.

"For eksempel er mørk energi muligvis ikke vakuumets energi. Dens tæthed kan ændre sig med universets udvidelse, eller endda rummet kan være let buet," siger Anna Porredon, en spansk forsker ved Ruhr University Bochum (RUB) i Tyskland. Denne forsker, en fellow fra Marie Sklodowska-Curie Actions-programmet i EU, har været en af ​​koordinatorerne for denne analyse.

BAO-skalaen er blevet målt af andre kosmologiske projekter før DES i forskellige aldre af universet, primært Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) og dens udvidelse (eBOSS), som blev designet til dette formål. DES-målingen er dog den mest nøjagtige i en så tidlig alder af universet, med halvdelen af ​​usikkerheden fra eBOSS på det tidspunkt. Den betydelige stigning i præcision har gjort det muligt at afsløre den mulige uoverensstemmelse i BAO-skalaen med hensyn til standardmodellen for kosmologi.

"For at følge denne ledetråd er det næste afgørende skridt at kombinere denne information med andre teknikker, der er udforsket af DES for at forstå naturen af ​​mørk energi," kommenterer Hugo Camacho, en postdoc-forsker ved Brookhaven National Laboratory (U.S.), tidligere ved Institute of Teoretisk fysik ved São Paulo State University i Brasilien (IFT-UNESP) og medlem af Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "Desuden baner DES også vejen for en ny æra af opdagelser inden for kosmologi, som vil blive efterfulgt af fremtidige eksperimenter med endnu mere præcise målinger."

The Dark Energy Survey

Som navnet antyder, er DES et stort kosmologisk projekt specielt designet til at studere egenskaberne ved mørk energi. Det er et internationalt samarbejde mellem mere end 400 forskere fra syv lande med hovedkvarter i det amerikanske DOE's Fermi National Accelerator Laboratory, nær Chicago. Projektet er designet til at bruge fire gensidigt komplementære metoder:kosmologiske afstande med supernovaer, antallet af galaksehobe, den rumlige fordeling af galakser og den svage gravitationelle linseeffekt.

Derudover kan disse metoder kombineres for at opnå højere statistisk styrke og bedre kontrol med observationerne, som forventes at være konsistente. Kombinationen af ​​gravitationslinseeffekten med den rumlige fordeling af galakser er særlig relevant. Disse analyser tester den kosmologiske model på en meget krævende måde. Resultater, der bruger halvdelen af ​​DES-dataene, er allerede blevet offentliggjort med stor anerkendelse, og de endelige målinger, der bruger det fulde datasæt på mere end 150 millioner galakser, forventes at blive offentliggjort senere i år.

"DES giver os mulighed for for første gang at forstå, om den accelererende udvidelse af universet, som begyndte for 6 milliarder år siden, er i overensstemmelse med vores nuværende model for universets oprindelse," kommenterer Martin Crocce, der koordinerer denne seneste analyse. fra ICE.

For at bruge alle disse teknikker byggede DES 570 Megapixel Dark Energy Camera (DECam), et af de største og mest følsomme kameraer i verden. Det er installeret på Víctor M. Blanco-teleskopet med et spejl på 4 m i diameter ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, som drives af US NSF's NOIRLab.

DES har kortlagt en ottendedel af himmelhvælvingen til en hidtil uset dybde. Det tog 4-farvede billeder mellem 2013 og 2019 og er i øjeblikket i slutfasen af ​​den videnskabelige analyse af disse billeder. Spanske institutioner har været en del af projektet siden starten i 2005 og har, udover at have samarbejdet fremtrædende i design, fremstilling, test og installation af DECam og dataindsamling, et vigtigt ansvar inden for DES videnskabelig ledelse til dato.

Leveret af Brookhaven National Laboratory