Сигнал барионных акустических колебаний (BAO) в данных Обзора темной энергии (DES). При построении графика количества пар галактик в зависимости от их углового разделения на небе мы обнаруживаем превышение пар на 2,90 градуса. Это вызвано волнами БАО, которые прошли сотни миллионов световых лет после Большого взрыва. Эти волны имеют размер на небе несколько больший, чем предсказывается стандартной моделью космологии и данными Планка. Фото: Сотрудничество по исследованию темной энергии.
Теперь у нас есть стандартная модель космологии — текущая версия теории Большого взрыва. Хотя он оказался очень успешным, его последствия ошеломляют. Мы знаем только 5% содержимого Вселенной, которое представляет собой обычную материю. Остальные 95% составляют два экзотических объекта, которые никогда не производились в лаборатории и физическая природа которых до сих пор неизвестна.
Это темная материя, составляющая 25% содержимого космоса, и темная энергия, составляющая 70%. В стандартной модели космологии темная энергия — это энергия пустого пространства, и ее плотность остается постоянной на протяжении всей эволюции Вселенной.
Согласно этой теории, звуковые волны распространялись в самой ранней Вселенной. На тех ранних стадиях Вселенная имела огромную температуру и плотность. Давление в этом первоначальном газе пыталось раздвинуть образующие его частицы, в то время как гравитация пыталась стянуть их вместе, а конкуренция между двумя силами создала звуковые волны, которые распространялись с момента возникновения Вселенной примерно до 400 000 лет после Большого взрыва. .
В это время излучение и вещество перестали взаимодействовать, а волны застыли, оставив отпечаток на пространственном распределении вещества. Этот отпечаток наблюдается как небольшое преимущественное скопление галактик, разделенных характерным расстоянием, называемым космологами шкалой барионных акустических колебаний (БАО), и соответствует расстоянию, пройденному звуковыми волнами за эти 400 000 лет.
Новое измерение космического расстояния
Исследование темной энергии (DES) только что измерило масштаб BAO, когда Вселенная была вдвое моложе нынешнего возраста, с точностью 2%, что является наиболее точным определением на столь раннюю эпоху, и впервые измерение только с помощью изображений является конкурентоспособным. с крупными спектроскопическими кампаниями, специально разработанными для обнаружения этого сигнала.
Расстояние, которое проходит звуковая волна в ранней Вселенной, зависит от хорошо известных физических процессов, поэтому его можно определить с большой точностью, став эталоном для Вселенной. Это то, что космологи называют стандартной линейкой. В данном случае она имеет длину около 500 миллионов световых лет.
Наблюдая за углом, который эта стандартная линейка образует на небе на разных расстояниях (или, другими словами, в разные эпохи Вселенной), можно определить историю космического расширения, а вместе с ней и физические свойства темной энергии. . В частности, это можно определить, анализируя космическое микроволновое излучение — излучение, испускаемое при формировании атомов, спустя 400 000 лет после Большого взрыва, — которое дает нам снимок очень ранней Вселенной, опубликованный коллаборацией Планк в 2018 году.
Его также можно определить в поздней Вселенной, изучая масштаб BAO на картах галактик, как это сделал DES. Анализ непротиворечивости обоих определений — одна из наиболее сложных проверок стандартной модели космологии.
«Это источник гордости — видеть, как после почти двадцати лет непрерывных усилий DES производит научные результаты, имеющие высочайшее значение в космологии», — говорит Эусебио Санчес, руководитель группы космологии в CIEMAT. «Это отличная награда за усилия, вложенные в проект».
«Мы наблюдали, что галактики имеют большую тенденцию быть отделенными друг от друга на угол 2,90 градуса на небе по сравнению с другими расстояниями», — комментирует Сантьяго Авила, постдокторант IFAE и один из координаторов анализа. «Это сигнал! Волну ясно видно в данных», — добавляет он, имея в виду первый рисунок. «Это тонкое предпочтение, но статистически значимое», — говорит он, — «и мы можем определить волновую картину с точностью до 2%. Для справки: полная луна занимает на небе полградуса в диаметре. Так что, если бы мы могли чтобы увидеть галактики невооруженным глазом, расстояние БАО выглядело бы как шесть полных лун».
16 миллионов галактик для измерения Вселенной 7 миллиардов лет назад
Для измерения масштаба BAO DES использовала 16 миллионов галактик, расположенных на одной восьмой части неба, которые были специально отобраны, чтобы с достаточной точностью определить, насколько далеко они находятся.
«Важно выбрать выборку галактик, которая позволит нам максимально точно измерить масштаб BAO», — говорит Хуан Мена, защитивший докторскую диссертацию. в CIEMAT по этому исследованию и в настоящее время является постдокторантом в Лаборатории субатомной физики и космологии в Гренобле (Франция). «Наша выборка оптимизирована для достижения хорошего компромисса между большим количеством галактик и уверенностью, с которой мы можем определить их расстояние».
Космологические расстояния настолько велики, что свету требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, что позволяет нам наблюдать космическое прошлое. Выборка галактик, использованная в этом исследовании, открывает окно во Вселенную семь миллиардов лет назад, то есть чуть меньше половины ее нынешнего возраста.
«Одна из самых сложных задач в этом процессе — очистить образец галактики от наблюдательных загрязнений: различить галактики и звезды или смягчить влияние атмосферы на изображения», — говорит Мартин Родригес Монрой, постдокторант из IFT в Мадриде. .
Подсказки о загадочной темной энергии
Интересный вывод этого исследования заключается в том, что размер этих волн на небе на 4% больше, чем предсказывалось на основе измерений, сделанных спутником ЕКА «Планк» в ранней Вселенной с использованием космического микроволнового фонового излучения. Учитывая выборку галактик и неопределенности анализа, это несоответствие с вероятностью 5% может быть простым статистическим колебанием. Если бы это было не так, мы могли бы увидеть один из первых ключей к разгадке того, что современная теория космологии не совсем полна, а физическая природа темных компонентов еще более экзотична, чем считалось ранее.
«Например, темная энергия может не быть энергией вакуума. Ее плотность может меняться с расширением Вселенной, или даже пространство может быть слегка искривлено», — говорит Анна Порредон, испанский исследователь из Рурского университета в Бохуме (РУБ). в Германии. Этот исследователь, член программы действий Марии Склодовской-Кюри Европейского Союза, был одним из координаторов этого анализа.
Золотом мы видим измерение масштаба Dark Energy Survey BAO, которое отклоняется от стандартной модели (горизонтальная линия под номером 1 на этом графике) на 4%, тогда как неопределенности, связанные с анализом, составляют 2% (обозначены золотой вертикальной полосой). . Это несоответствие может быть подсказкой о темной энергии или просто статистическим колебанием с вероятностью 5%. Это измерение было сделано путем наблюдения за галактиками, которые излучали свой свет, когда Вселенная, которой 14 миллиардов лет, была примерно вдвое моложе своего нынешнего возраста. Синим цветом показаны измерения Спектроскопического обзора барионных колебаний (BOSS) и его расширения (eBOSS). DES дает нам наиболее точные данные о том, когда Вселенной было около 7 миллиардов лет. Фото: Сотрудничество по исследованию темной энергии.
Масштаб BAO измерялся другими космологическими проектами до DES в разном возрасте Вселенной, в основном спектроскопическим обзором барионных колебаний (BOSS) и его расширением (eBOSS), которые были разработаны для этой цели. Однако измерения DES являются наиболее точными на столь раннем возрасте Вселенной, с погрешностью вдвое меньшей, чем у eBOSS в то время. Значительное повышение точности позволило выявить возможное несоответствие шкалы БАО стандартной модели космологии.
«Чтобы следовать этому примеру, следующим важным шагом будет объединение этой информации с другими методами, исследованными DES, чтобы понять природу темной энергии», — комментирует Хьюго Камачо, научный сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории (США), ранее работавший в Институте Теоретическая физика в Государственном университете Сан-Паулу в Бразилии (IFT-UNESP) и член Межинституционной лаборатории электронной астрономии (LIneA). «Более того, DES также прокладывает путь к новой эре открытий в космологии, за которой последуют будущие эксперименты с еще более точными измерениями».
Исследование темной энергии
Как следует из названия, DES — это крупный космологический проект, специально задуманный для изучения свойств темной энергии. Это международное сотрудничество более 400 ученых из семи стран со штаб-квартирой в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США недалеко от Чикаго. Проект рассчитан на использование четырех взаимодополняющих друг друга методов: космологических расстояний со сверхновыми, количества скоплений галактик, пространственного распределения галактик и эффекта слабого гравитационного линзирования.
Кроме того, эти методы можно комбинировать для получения более высокой статистической мощности и лучшего контроля наблюдений, которые, как ожидается, будут последовательными. Особенно актуально сочетание эффекта гравитационного линзирования с пространственным распределением галактик. Эти анализы очень тщательно проверяют космологическую модель. Результаты с использованием половины данных DES уже были опубликованы с большим успехом, а окончательные измерения с использованием полного набора данных из более чем 150 миллионов галактик, как ожидается, будут опубликованы позднее в этом году.
«DES позволяет нам впервые понять, соответствует ли ускоряющееся расширение Вселенной, начавшееся 6 миллиардов лет назад, нашей нынешней модели происхождения Вселенной», — комментирует Мартин Крокче, один из координаторов этого последнего анализа. из ДВС.
Чтобы использовать все эти методы, DES создала 570-мегапиксельную камеру темной энергии (DECam), одну из самых больших и чувствительных камер в мире. Он установлен на телескопе Виктора М. Бланко с зеркалом диаметром 4 метра в Межамериканской обсерватории Серро Тололо в Чили, которым управляет NOIRLab Национального научного фонда США.
DES нанес на карту одну восьмую небесного свода на беспрецедентной глубине. В период с 2013 по 2019 год были сделаны 4-цветные изображения, и в настоящее время они находятся на заключительной стадии научного анализа этих изображений. Испанские учреждения участвуют в проекте с момента его создания в 2005 году и, помимо активного сотрудничества в разработке, производстве, тестировании и установке DECam и сборе данных, на сегодняшний день несут важные обязанности в научном управлении DES.
Информация от: Брукхейвенской национальной лабораторией.
