W ramach współpracy prowadzonej przez naukowców z Uniwersytetu Nagoya w Japonii zbadano naturę ciemnej materii otaczającej galaktyki widziane takimi, jakimi były 12 miliardów lat temu, miliardy lat wstecz niż kiedykolwiek wcześniej. Ich odkrycia, opublikowane w Physical Review Letters, dają kuszącą możliwość, że fundamentalne zasady kosmologii mogą się różnić podczas badania wczesnej historii naszego wszechświata.
Trudno jest zobaczyć coś, co wydarzyło się tak dawno temu. Ze względu na skończoną prędkość światła, widzimy odległe galaktyki nie takie, jakie są dzisiaj, ale takie, jakie były miliardy lat temu. Ale jeszcze większym wyzwaniem jest obserwowanie ciemnej materii, która nie emituje światła.
Rozważmy odległą galaktykę źródłową, nawet dalej niż galaktykę, której ciemną materię chcemy zbadać. Zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina przyciąganie grawitacyjne galaktyki na pierwszym planie, w tym jej ciemnej materii, zniekształca otaczającą przestrzeń i czas. Gdy światło z galaktyki źródłowej przechodzi przez to zniekształcenie, ugina się, zmieniając pozorny kształt galaktyki. Im większa ilość ciemnej materii, tym większe zniekształcenie. W ten sposób naukowcy mogą zmierzyć ilość ciemnej materii wokół galaktyki pierwszego planu (galaktyki „soczewki”) na podstawie zniekształceń.
Jednak po pewnym czasie naukowcy napotykają problem. Galaktyki w najgłębszych zakątkach wszechświata są niewiarygodnie słabe. W rezultacie im dalej od Ziemi patrzymy, tym mniej skuteczna staje się ta technika. Zniekształcenie soczewkowania jest w większości przypadków subtelne i trudne do wykrycia, dlatego do wykrycia sygnału potrzeba wielu galaktyk tła.
Większość poprzednich badań utrzymywała się na tych samych granicach. Nie mogąc wykryć wystarczająco dużo odległych galaktyk źródłowych, aby zmierzyć zniekształcenie, mogli analizować jedynie ciemną materię sprzed nie więcej niż 8-10 miliardów lat. Ograniczenia te pozostawiły otwartą kwestię rozmieszczenia ciemnej materii między tym czasem a 13,7 miliarda lat temu, wokół początku naszego Wszechświata.
Aby przezwyciężyć te wyzwania i obserwować ciemną materię z najdalszych zakątków wszechświata, zespół badawczy kierowany przez Hironao Miyatake z Uniwersytetu Nagoya, we współpracy z Uniwersytetem w Tokio, Narodowym Obserwatorium Astronomicznym Japonii i Uniwersytetem Princeton, wykorzystał inne źródło światła tła, mikrofale uwolnione z samego Wielkiego Wybuchu.
Po pierwsze, wykorzystując dane z obserwacji Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), zespół zidentyfikował 1,5 miliona galaktyk soczewkowych wykorzystujących światło widzialne, wybrane do obserwacji 12 miliardów lat temu.
Następnie, aby przezwyciężyć brak światła galaktyki jeszcze dalej, wykorzystali mikrofale z kosmicznego tła mikrofalowego (CMB), pozostałości promieniowania po Wielkim Wybuchu. Wykorzystując mikrofale obserwowane przez satelitę Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, zespół zmierzył, w jaki sposób ciemna materia wokół galaktyk soczewkowych zniekształcała mikrofale.
“Spójrzcie na ciemną materię wokół odległych galaktyk?” zapytał profesor Masami Ouchi z Uniwersytetu Tokijskiego, który dokonał wielu obserwacji. „To był szalony pomysł. Nikt nie zdawał sobie sprawy, że możemy to zrobić. Ale po tym, jak wygłosiłem przemówienie na temat dużej próbki odległej galaktyki, Hironao przyszedł do mnie i powiedział, że możliwe jest przyjrzenie się ciemnej materii wokół tych galaktyk za pomocą CMB. “
„Większość badaczy wykorzystuje galaktyki źródłowe do pomiaru rozkładu ciemnej materii od chwili obecnej do ośmiu miliardów lat temu” – dodał adiunkt Yuichi Harikane z Instytutu Badań nad Promieniowaniem Kosmicznym Uniwersytetu Tokijskiego. „Możemy jednak spojrzeć dalej w przeszłość, ponieważ użyliśmy bardziej odległego CMB do pomiaru ciemnej materii. Po raz pierwszy mierzyliśmy ciemną materię od prawie najwcześniejszych momentów Wszechświata”.
Po wstępnej analizie naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że mają wystarczająco dużą próbkę, aby wykryć rozkład ciemnej materii. Łącząc dużą próbkę odległej galaktyki i zniekształcenia soczewkowania w CMB, wykryli ciemną materię jeszcze dalej w czasie, od 12 miliardów lat temu. Jest to zaledwie 1,7 miliarda lat po powstaniu wszechświata, a zatem galaktyki te są widoczne wkrótce po ich pierwszym uformowaniu.
„Byłem szczęśliwy, że otworzyliśmy nowe okno na tamtą erę” – powiedział Miyatake. „12 miliardów lat temu sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. Widzisz więcej galaktyk, które są w trakcie formowania niż obecnie; zaczynają się również formować pierwsze gromady galaktyk”. Gromady galaktyk obejmują 100-1000 galaktyk związanych grawitacją z dużą ilością ciemnej materii.
„Ten wynik daje bardzo spójny obraz galaktyk i ich ewolucji, a także ciemnej materii w galaktykach i wokół nich oraz tego, jak ten obraz ewoluuje w czasie” – powiedział Neta Bahcall, Eugene Higgins Professor of Astronomy, profesor nauk astrofizycznych. kierownik studiów licencjackich na Uniwersytecie Princeton.
Jedno z najbardziej ekscytujących odkryć naukowców było związane z grudkowatością ciemnej materii. Zgodnie ze standardową teorią kosmologii, modelem Lambda-CDM, subtelne fluktuacje w CMB tworzą baseny gęsto upakowanej materii, przyciągając otaczającą ją materię za pomocą grawitacji. Tworzy to niejednorodne skupiska, które tworzą gwiazdy i galaktyki w tych gęstych regionach. Wyniki grupy sugerują, że ich pomiar niezdarności był niższy niż przewidywany przez model Lambda-CDM.
Miyatake jest entuzjastycznie nastawiony do możliwości. „Nasze odkrycie jest nadal niepewne” – powiedział. „Ale jeśli to prawda, sugerowałoby to, że cały model jest wadliwy w miarę cofania się w czasie. Jest to ekscytujące, ponieważ jeśli wynik utrzyma się po zmniejszeniu niepewności, może to sugerować ulepszenie modelu, które może zapewnić wgląd w naturę samej ciemnej materii”.
„W tym momencie postaramy się uzyskać lepsze dane, aby sprawdzić, czy model Lambda-CDM rzeczywiście jest w stanie wyjaśnić obserwacje, które mamy we wszechświecie” – powiedział Andrés Plazas Malagón, współpracownik naukowy na Uniwersytecie Princeton. „A konsekwencją może być to, że musimy ponownie przyjrzeć się założeniom, które weszły w ten model”.
„Jedną z mocnych stron patrzenia na wszechświat za pomocą przeglądów wielkoskalowych, takich jak te używane w tych badaniach, jest to, że można badać wszystko, co widać na powstałych obrazach, od pobliskich asteroid w naszym Układzie Słonecznym po najdalsze galaktyki z wczesnego Wszechświata. Te same dane można wykorzystać do zbadania wielu nowych pytań” – powiedział Michael Strauss, profesor i kierownik Wydziału Nauk Astrofizycznych na Uniwersytecie Princeton.
W badaniu wykorzystano dane dostępne z istniejących teleskopów, w tym Plancka i Subaru. Grupa przejrzała tylko jedną trzecią danych z ankiety Subaru Hyper Suprime-Cam. Kolejnym krokiem będzie analiza całego zestawu danych, co powinno pozwolić na dokładniejszy pomiar rozkładu ciemnej materii. W przyszłości zespół spodziewa się wykorzystać zaawansowany zestaw danych, taki jak Legacy Survey of Space and Time (LSST) z Obserwatorium Vera C. Rubin, aby zbadać więcej najwcześniejszych części kosmosu. „LSST pozwoli nam obserwować połowę nieba” – powiedział Harikane. „Nie widzę żadnego powodu, dla którego nie moglibyśmy zobaczyć rozkładu ciemnej materii 13 miliardów lat temu”.