Forskere afslører fordeling af mørkt stof omkring galakser for 12 milliarder år siden

Et samarbejde ledet af forskere ved Nagoya University i Japan har undersøgt naturen af ​​mørkt stof, der omgiver galakser, set som de var for 12 milliarder år siden, milliarder af år længere tilbage i tiden end nogensinde før. Deres resultater, offentliggjort i Physical Review Letters , tilbyder den fristende mulighed, at kosmologiens grundlæggende regler kan være forskellige, når vi undersøger vort univers' tidlige historie.

Det er svært at se noget, der skete for så lang tid siden. På grund af lysets begrænsede hastighed fremstår fjerne galakser ikke, som de er i dag, men som de var for milliarder af år siden. Men endnu mere udfordrende er det at observere mørkt stof, som ikke udsender lys.

Overvej en fjern kildegalakse, endnu længere væk end galaksen, hvis mørke stof man ønsker at undersøge. Tyngdekraften fra forgrundsgalaksen, inklusive dens mørke stof, forvrænger det omgivende rum og tid, som forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Når lyset fra kildegalaksen bevæger sig gennem denne forvrængning, bøjes det og ændrer galaksens tilsyneladende form. Jo større mængden af ​​mørkt stof, jo større forvrængning. Forskere kan således måle mængden af ​​mørkt stof omkring forgrundsgalaksen ("linsegalaksen") fra forvrængningen.

Men ud over et vist punkt støder videnskabsmænd på et problem. Galakserne i de dybeste dele af universet er utroligt svage. Som et resultat, jo længere væk fra Jorden vi kigger, jo mindre effektiv bliver denne teknik. Linseforvrængningen er subtil og svær at opdage i de fleste tilfælde, så mange baggrundsgalakser er nødvendige for at detektere signalet.

De fleste tidligere undersøgelser er forblevet fast på de samme grænser. Ude af stand til at opdage nok fjerne kildegalakser til at måle forvrængningen, kunne de kun analysere mørkt stof fra ikke mere end 8-10 milliarder år siden. Disse begrænsninger efterlod spørgsmålet om fordelingen af ​​mørkt stof mellem dette tidspunkt og for 13,7 milliarder år siden, omkring begyndelsen af ​​vores univers, åbent.

For at overvinde disse udfordringer og observere mørkt stof fra universets fjerneste rækker brugte et forskerhold ledet af Hironao Miyatake fra Nagoya University i samarbejde med University of Tokyo, National Astronomical Observatory of Japan og Princeton University en anden kilde af baggrundslys, mikrobølgerne frigivet fra selve Big Bang.

For det første, ved hjælp af data fra observationerne fra Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), identificerede holdet 1,5 millioner linsegalakser ved hjælp af synligt lys, udvalgt til at blive set for 12 milliarder år siden.

Dernæst, for at overvinde manglen på galakselys endnu længere væk, brugte de mikrobølger fra den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), strålingsresten fra Big Bang. Ved hjælp af mikrobølger observeret af Den Europæiske Rumorganisations Planck-satellit målte holdet, hvordan det mørke stof omkring linsegalakserne forvrængede mikrobølgerne.

"Se på mørkt stof omkring fjerne galakser?" spurgte professor Masami Ouchi fra University of Tokyo, som lavede mange af observationerne. "Det var en skør idé. Ingen var klar over, at vi kunne gøre dette. Men efter at jeg havde holdt en tale om en stor fjern galakseprøve, kom Hironao til mig og sagde, at det måske er muligt at se på mørkt stof omkring disse galakser med CMB. "

"De fleste forskere bruger kildegalakser til at måle fordeling af mørkt stof fra nutiden til for otte milliarder år siden," tilføjede assisterende professor Yuichi Harikane fra Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo. "Men vi kunne se længere tilbage i fortiden, fordi vi brugte den fjernere CMB til at måle mørkt stof. For første gang målte vi mørkt stof fra næsten de tidligste øjeblikke af universet."

Efter en foreløbig analyse indså forskerne hurtigt, at de havde en stor nok prøve til at påvise fordelingen af ​​mørkt stof. Ved at kombinere den store fjerntliggende galakseprøve og linseforvrængningerne i CMB opdagede de mørkt stof endnu længere tilbage i tiden, fra 12 milliarder år siden. Dette er kun 1,7 milliarder år efter universets begyndelse, og derfor ses disse galakser kort efter, de først blev dannet.

"Jeg var glad for, at vi åbnede et nyt vindue ind i den æra," sagde Miyatake. "For 12 milliarder år siden var tingene meget anderledes. Du ser flere galakser, der er under dannelse end i øjeblikket; de første galaksehobe begynder også at dannes." Galaksehobe omfatter 100-1000 galakser bundet af tyngdekraften med store mængder mørkt stof.

"Dette resultat giver et meget konsistent billede af galakser og deres udvikling, såvel som det mørke stof i og omkring galakser, og hvordan dette billede udvikler sig med tiden," sagde Neta Bahcall, Eugene Higgins professor i astronomi, professor i astrofysiske videnskaber, og direktør for bachelorstudier ved Princeton University.

Et af forskernes mest spændende resultater var relateret til mørkt stofs klumpethed. Ifølge standardteorien for kosmologi, Lambda-CDM-modellen, danner subtile fluktuationer i CMB puljer af tætpakket stof ved at tiltrække omgivende stof gennem tyngdekraften. Dette skaber inhomogene klumper, der danner stjerner og galakser i disse tætte områder. Gruppens resultater tyder på, at deres klumphedsmåling var lavere end forudsagt af Lambda-CDM-modellen.

Miyatake er begejstret for mulighederne. "Vores fund er stadig usikker," sagde han. "Men hvis det er sandt, tyder det på, at hele modellen er fejlbehæftet, når man går længere tilbage i tiden. Det er spændende, for hvis resultatet holder, efter at usikkerheden er reduceret, kan det tyde på en forbedring af modellen, der kan give indsigt ind i selve mørkt stofs natur."

"På dette tidspunkt vil vi forsøge at få bedre data for at se, om Lambda-CDM-modellen faktisk er i stand til at forklare de observationer, vi har i universet," sagde Andrés Plazas Malagón, associeret forsker ved Princeton University. "Og konsekvensen kan være, at vi er nødt til at revidere de antagelser, der gik ind i denne model."

"En af styrkerne ved at se på universet ved hjælp af store undersøgelser, som dem der er brugt i denne forskning, er, at du kan studere alt, hvad du ser på de resulterende billeder, fra nærliggende asteroider i vores solsystem til de fjerneste galakser fra det tidlige univers. Du kan bruge de samme data til at udforske en masse nye spørgsmål," sagde Michael Strauss, professor og formand for Institut for Astrofysiske Videnskaber ved Princeton University.

Denne undersøgelse brugte data tilgængelige fra eksisterende teleskoper, herunder Planck og Subaru. Gruppen har kun gennemgået en tredjedel af Subaru Hyper Suprime-Cam Survey-dataene. Næste trin vil være at analysere hele datasættet, hvilket skulle give mulighed for en mere præcis måling af mørkt stoffordelingen. I fremtiden forventer teamet at bruge et avanceret datasæt som Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST) til at udforske flere af de tidligste dele af rummet. "LSST vil give os mulighed for at observere halvdelen af ​​himlen," sagde Harikane. "Jeg kan ikke se nogen grund til, at vi ikke kunne se distributionen af ​​mørkt stof for 13 milliarder år siden næste gang." + Udforsk yderligere

Ny teori antyder, at kollision af dværggalakser kan forklare galakser uden mørkt stof