Od tysiącleci ludzie fascynowani są tajemnicami kosmosu.
W przeciwieństwie do starożytnych filozofów wyobrażających sobie początki wszechświata, współcześni kosmolodzy używają narzędzi ilościowych, aby uzyskać wgląd w ewolucję i strukturę wszechświata. Współczesna kosmologia sięga początków XX wieku, wraz z rozwojem ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.
Teraz naukowcy z Atacama Cosmology Telescope (ACT) stworzyli przełomowy nowy obraz, który ujawnia najbardziej szczegółową mapę ciemnej materii rozmieszczonej na jednej czwartej całego nieba, sięgającej głęboko w kosmos. Co więcej, potwierdza teorię Einsteina o tym, jak masywne struktury rosną i zakrzywiają światło w ciągu całego 14-miliardowego okresu życia wszechświata.
„Zmapowaliśmy niewidzialną ciemną materię na niebie do największych odległości i wyraźnie widzimy cechy tego niewidzialnego świata, które mają setki milionów lat świetlnych średnicy” – mówi Blake Sherwin, profesor kosmologii na Uniwersytecie w Cambridge, gdzie przewodzi grupie badaczy ACT: „Wygląda dokładnie tak, jak przewidują nasze teorie”.
Pomimo tego, że stanowi 85% wszechświata i wpływa na jego ewolucję, ciemna materia była trudna do wykrycia, ponieważ nie wchodzi w interakcje ze światłem ani innymi formami promieniowania elektromagnetycznego. O ile wiemy, ciemna materia oddziałuje tylko z grawitacją.
Aby to wyśledzić, ponad 160 współpracowników, którzy zbudowali i zebrali dane z Teleskopu Kosmologicznego Atacama w wysokich chilijskich Andach, obserwuje światło emanujące po świcie formowania się wszechświata, Wielkim Wybuchu – kiedy wszechświat był zaledwie 380 000 lat. Kosmolodzy często określają to rozproszone światło, które wypełnia cały nasz wszechświat, jako „dziecięcy obraz wszechświata”, ale formalnie jest ono znane jako kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMB).
Zespół śledzi, w jaki sposób przyciąganie grawitacyjne dużych, ciężkich struktur, w tym ciemnej materii, wypacza CMB podczas jego 14-miliardowej podróży do nas, podobnie jak szkło powiększające zakrzywia światło przechodzące przez jego soczewkę.
„Stworzyliśmy nową mapę masy, wykorzystując zniekształcenia światła pozostałe po Wielkim Wybuchu” – mówi Mathew Madhavacheril, adiunkt na Wydziale Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie w Pensylwanii. „Co niezwykłe, zapewnia pomiary, które pokazują, że zarówno„ grudkowatość ”wszechświata, jak i tempo, w jakim rośnie po 14 miliardach lat ewolucji, są dokładnie tym, czego można oczekiwać od naszego standardowego modelu kosmologii opartego na teorii Einsteina grawitacji”.
Sherwin dodaje: „nasze wyniki dostarczają również nowego wglądu w toczącą się debatę, którą niektórzy nazwali „Kryzysem w kosmologii”, wyjaśniając, że ten kryzys wynika z ostatnich pomiarów, które wykorzystują inne światło tła, emitowane przez gwiazdy w galaktykach, a nie CMB . Dało to wyniki sugerujące, że ciemna materia nie była wystarczająco zbrylona w standardowym modelu kosmologicznym i wzbudziła obawy, że model może zostać uszkodzony. Jednak najnowsze wyniki zespołu z ACT pozwoliły precyzyjnie ocenić, czy ogromne bryły widoczne na tym zdjęciu mają dokładnie odpowiedni rozmiar.
„Kiedy zobaczyłem je po raz pierwszy, nasze pomiary były tak dobrze zgodne z podstawową teorią, że przetworzenie wyników zajęło mi chwilę” – mówi dr Cambridge. student Frank Qu, członek zespołu badawczego. „Ciekawie będzie zobaczyć, jak zostanie rozwiązana ta możliwa rozbieżność między różnymi pomiarami”.
„Dane z soczewkowania CMB rywalizują z bardziej konwencjonalnymi przeglądami światła widzialnego z galaktyk pod względem ich zdolności do śledzenia sumy tego, co tam jest” – mówi Suzanne Staggs, dyrektor ACT i Henry DeWolf Smyth profesor fizyki na Uniwersytecie Princeton. „Razem soczewkowanie CMB i najlepsze przeglądy optyczne wyjaśniają ewolucję całej masy we wszechświecie”.
„Kiedy zaproponowaliśmy ten eksperyment w 2003 roku, nie mieliśmy pojęcia, jaki pełny zakres informacji można uzyskać z naszego teleskopu” – mówi Mark Devlin, profesor astronomii Reese Flower na Uniwersytecie Pensylwanii i zastępca dyrektora ACT. „Zawdzięczamy to sprytowi teoretyków, wielu ludziom, którzy zbudowali nowe instrumenty, aby nasz teleskop był bardziej czuły, oraz nowym technikom analitycznym, które wymyślił nasz zespół”.
ACT, który działał przez 15 lat, został wycofany ze służby we wrześniu 2022 r. Niemniej jednak oczekuje się, że wkrótce pojawią się kolejne artykuły prezentujące wyniki z ostatniego zestawu obserwacji, a Obserwatorium Simonsa będzie prowadzić przyszłe obserwacje w tym samym miejscu za pomocą nowego teleskopu ma rozpocząć działalność w 2024 roku. Ten nowy instrument będzie w stanie mapować niebo prawie 10 razy szybciej niż ACT.