Standardmodel af universet modstår mest præcise test af Dark Energy Survey (opdatering)

Astrofysikere har en ret præcis forståelse af, hvordan universet ældes:Det er konklusionen på nye resultater fra Dark Energy Survey (DES), et stort internationalt videnskabeligt samarbejde, herunder forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der satte modeller for kosmisk strukturdannelse og evolution til den mest præcise test endnu.

Undersøgelsens forskere analyserede lys fra 26 millioner galakser for at undersøge, hvordan strukturer i universet har ændret sig i løbet af de sidste 7 milliarder år - halvdelen af ​​universets alder. Dataene blev taget med DECam, et 570 megapixel kamera fastgjort til det 4 meter store Victor M. Blanco-teleskop ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile.

Tidligere har den mest præcise test af kosmologiske modeller kom fra målinger med European Space Agency's Planck -satellit af, hvad der er kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) - en svag glød på himlen udsendte 380, 000 år efter Big Bang.

"Mens Planck så på strukturen i det meget tidlige univers, DES har målt strukturer, der udviklede sig meget senere, "sagde Daniel Gruen, en NASA Einstein postdoktor ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), et fælles institut for Stanford University og SLAC. "Væksten af ​​disse strukturer fra universets tidlige alder til i dag stemmer overens med, hvad vores modeller forudsiger, viser, at vi meget godt kan beskrive den kosmiske udvikling. "

Gruen vil præsentere resultaterne, som er baseret på det første års data fra den 5-årige undersøgelse, i dag på 2017 Division of Particles and Fields -møde i American Physical Society på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory.

KIPAC -fakultetsmedlem Risa Wechsler, et stiftende medlem af DES, sagde, "For første gang, præcisionen af ​​de vigtigste kosmologiske parametre, der kommer ud af en galakseundersøgelse, kan sammenlignes med dem, der stammer fra målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Dette giver os mulighed for at teste vores modeller uafhængigt og kombinere begge fremgangsmåder for at opnå parameterværdier med en hidtil uset præcision. "

Største kort over massedistribution

Standardmodellen for kosmologi, kaldet Lambda-CDM, indeholder to centrale ingredienser. Koldt mørkt stof (CDM), en usynlig form for stof, der er fem gange mere udbredt end almindeligt stof, klumper sig sammen og er kernen i dannelsen af ​​strukturer som galakser og galaksehobe. Lambda, den kosmologiske konstant, beskriver den accelererede ekspansion af universet, drevet af en ukendt kraft kaldet mørk energi.

Astrofysikere har brug for præcise test af modellen, fordi dens ingredienser ikke er helt sikre. Mørkt stof er aldrig blevet opdaget direkte. Mørk energi er endnu mere mystisk, og det vides ikke, om det faktisk er en konstant eller ændrer sig over tid.

DES er nu lykkedes med at udføre en sådan præcisionstest. Forskerne brugte det faktum, at billeder af fjerne galakser bliver lidt forvrænget af galaksernes tyngdekraft i forgrunden - en effekt kendt som svag gravitationslinse. Denne analyse førte til det største kort, der nogensinde er konstrueret til fordelingen af ​​masse - både almindeligt og mørkt stof - i universet, såvel som dens udvikling over tid.

"Inden for en fejllinje på mindre end 5 procent, de kombinerede Planck- og DES-resultater stemmer overens med Lambda-CDM, "Sagde Wechsler." Dette betyder også, at indtil nu, vi behøver ikke andet end en konstant form for mørk energi til at beskrive universets ekspansionshistorie. "

Nøglebidrag fra KIPAC

Udover Gruen, der ledede arbejdsgruppen for svage linser, og Wechsler, hvis gruppe leverede realistiske simuleringer af undersøgelsen kritisk for at teste flere aspekter af den kosmologiske analyse, et stort antal KIPAC -forskere, postdoktorer, kandidatstuderende og alumner har ydet afgørende bidrag til DES - fra at bygge instrumentet til at udvikle teori og simuleringer og analysere dataene.

Postdoktor Elisabeth Krause, for eksempel, leder DES -teorien og kombinerede sonder -arbejdsgruppe. I den rolle, hun ledede ansvaret for at udvikle teoretiske modeller, der matcher den eksperimentelle præcision opnået med DES -dataene. Dette indebar at skrive computerkoder, der beregner, hvordan svag gravitationslinse skal se ud for en given model.

"Forskellige mennesker udvikler lidt forskellige koder, der er beregnet til at gøre det samme, "sagde hun." Jeg hjalp med at bringe kodeudviklere sammen for at krydstjekke deres resultater og for at sikre, at vi får de mest præcise teorikoder. "

En anden nøgle til oprettelsen af ​​massedistributionskortet var at præcist bestemme afstandene til de observerede galakser - oplysninger, der normalt stammer fra uafhængige undersøgelser, der analyserer lysets egenskaber fra disse objekter eller fra eksploderende stjerner.

"Vi har vist, at vi kan bruge farven på visse røde galakser - rød er den farve, de ville have, hvis du var lige foran dem - til at bestemme, hvor langt de er væk, "sagde SLAC -videnskabsmand Eli Rykoff, der havde en ledende rolle i denne del af analysen. "Det viser sig, at hvis vi kortlægger, hvor disse røde galakser er på himlen, vi kan bruge dem til at kalibrere afstanden mellem linserne og baggrundsgalakser, der blev brugt i undersøgelsen. "

Mod endnu dybere kosmisk indsigt

I den nærmeste fremtid, flere DES -data vil gøre det muligt for astrofysikere at teste deres kosmologiske modeller med endnu mere præcision. Analysen af ​​data indsamlet i løbet af de første tre år af undersøgelsen begynder snart, og det femte observationsår vil også snart være i gang.

Med endnu bedre data, sagde forskerne, vi kan finde ud af, om den relativt enkle Lambda-CDM-model skal ændres.

"De metoder, der er udviklet til DES og den erfaring, dets forskere får undervejs, vil også gavne den naturlige strøm af stadigt udviklede eksperimenter, "sagde KIPAC -fakultetsmedlem David Burke, leder af SLAC's DES -gruppe.

Begge vil forberede forskere på fremtidige undersøgelser, herunder dem med Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Med sit 3,2-gigapixel kamera, som er under opførelse hos SLAC, astrofysikere vil være i stand til at udforske dybderne i vores univers som aldrig før.