Дон Лінкольн - старший науковий співробітник американського департаменту енергетики Фермілаб, найбільшого в країні науково-дослідного інституту великих адронних колайдерів. Він також пише про науку для громадськості, включаючи свої останні "Великий адронний колайдер: надзвичайна історія бога Хіггса та інші речі, які підірвуть ваш розум"(Johns Hopkins University Press, 2014). Ви можете слідувати за ним даліFacebook. Лінкольн вніс цю статтю в Live Science'sГолоси експертів: Op-Ed & Insights.
Поки ми зберігали записи, людство дивувало нічне небо. Ми подивилися на небо, щоб визначити волю богів і замислитися над значенням усього цього. Тільки 5000 зірок, які ми можемо бачити неозброєним оком, були супутниками людства протягом тисячоліть.
Сучасні астрономічні засоби показали нам, що Всесвіт не складається лише з тисяч зірок - він складається з сотень мільярдів зірок в нашій галактиці, з трильйонами галактик. Обсерваторії навчали нас про народження та еволюцію Всесвіту. 3 серпня новий заклад зробив своє перше змістовне оголошення та доповнив наше розуміння космосу. Це дозволяє нам бачити незавидне, і показало, що розподіл речовини у Всесвіті дещо відрізняється від очікувань.
Дослідження темної енергії (DES) - це співпраця близько 400 вчених, які взялися за п'ятирічну місію з вивчення далеких галактик, щоб відповісти на питання історії Всесвіту. Він використовує камеру темної енергії (DEC), приєднану до 4-метрового телескопа Віктора М. Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро Тололо в Чилійських Андах. DEC був зібраний в США у Фермілабі поблизу Батавії, штат Іллінойс, і являє собою 570-мегапіксельну камеру, здатну зображувати галактики настільки далеко, що їх світло є мільйонним настільки яскравим, як найменші видимі зірки.
Темна енергія і темна матерія
DES полює на темну енергію, яка є запропонованим енергетичним полем у Всесвіті, яке є відштовхувальною формою сили тяжіння. У той час як гравітація чинить непереборне тяжіння, темна енергія підштовхує Всесвіт до розширення швидкості. Його ефект вперше спостерігався у 1998 році, і у нас все ще багато питань щодо його природи.
Однак, вимірюючи розташування та відстань 300 мільйонів галактик на південному нічному небі, опитування зможе зробити важливі твердження про іншу астрономічну таємницю, що називається темною речовиною. Вважається, що темна матерія є у п’ять разів частіше у Всесвіті, ніж звичайна матерія. Однак він не взаємодіє зі світлом, радіохвилями або будь-якою формою електромагнітної енергії. І не здається, що вони збираються, утворюючи великі тіла, як планети та зірки.
Немає способу безпосередньо бачити темну матерію (звідси і назва). Однак його вплив можна побачити побічно, проаналізувавши, як швидко обертаються галактики. Якщо обчислити швидкості обертання, підтримувані видимою масою галактик, ви виявите, що вони обертаються швидше, ніж повинні. За всіма правами, ці галактики повинні бути розірвані. Після десятиліть досліджень астрономи дійшли висновку, що кожна галактика містить темну речовину, яка створює додаткову гравітацію, яка утримує галактики разом.
Темна матерія у Всесвіті
Однак у значно більших масштабах Всесвіту вивчення окремих галактик недостатньо. Потрібен ще один підхід. Для цього астрономи повинні використовувати техніку, яка називається гравітаційним лінзуванням.
Гравітаційне лінзування було спрогнозоване в 1916 році Альбертом Ейнштейном і вперше його спостерігав сер Артур Еддінгтон у 1919 році. Теорія загальної відносності Ейнштейна говорить про те, що сила тяжіння, яку ми переживаємо, насправді викликана викривленням простору-часу. Оскільки світло рухається прямою лінією через простір, якщо простір-час вигнутий, воно спостерігатиме за спостерігачем так, ніби світло мандрував зігнутою стежкою через космос.
Це явище можна використати для вивчення кількості та розподілу темної речовини у Всесвіті. Вчені, які заглядають у віддалену галактику (що називається лінктируючою галактикою), яка має ще одну відстань за нею (називається спостережуваною галактикою), має іншу галактику, може побачити спотворене зображення спостережуваної галактики. Спотворення пов'язане з масою галактики, що лінзує. Оскільки маса галактичної лінзи є поєднанням видимої речовини та темної матерії, гравітаційне лінзування дозволяє вченим безпосередньо спостерігати існування та розподіл темної речовини за масштабами, такими ж великими, як і сама Всесвіт. Ця методика також працює, коли великий кластер галактик переднього плану спотворює зображення кластерів ще більш віддалених галактик, що є технікою, яка використовується для цього вимірювання.
Грудочки чи ні?
Нещодавно співпраця DES випустила аналіз з використанням саме цієї методики. Команда розглянула зразок 26 мільйонів галактик на чотирьох різних відстанях від Землі. Близькі галактики осіли ті, що були далі. Використовуючи цю техніку і уважно дивлячись на спотворення зображень усіх галактик, вони змогли скласти карту розподілу невидимої темної матерії та того, як вона рухалася і стискалася протягом останніх 7 мільярдів років або половини тривалості життя Всесвіт.
Як і очікувалося, вони виявили, що темна матерія Всесвіту була "грудоподібною". Однак сталася несподіванка - вона була трохи меншою грудкою, ніж передбачили попередні вимірювання.
Одне з таких суперечливих вимірювань походить від залишкового радіосигналу з найдавнішого часу після Великого вибуху, який називається космічним мікрохвильовим фоном (CMB). CMB містить у собі розподіл енергії в космосі, коли йому було 380 000 років. У 1998 році співпраця Cosmic Background Explorer (COBE) оголосила, що CMB не є ідеально рівномірним, але він має гарячі та холодні плями, які відрізняються від рівномірних на 1 частину в 100 000. Мікрохвильовий анізотропічний зонд Вілкінсона (WMAP) та супутники Планка підтвердили та уточнили вимірювання COBE.
За 7 мільярдів років між викидом КМБ та періодом часу, вивченим DES, ці гарячі регіони Всесвіту започаткували формування структури космосу. Неоднорідний розподіл енергії, захоплений у КМБ, у поєднанні з силою посилення сили тяжіння, призвів до того, що деякі плями у Всесвіті стали щільнішими, а інші - меншими. Результат - Всесвіт, яку ми бачимо навколо себе.
CMB прогнозує розподіл темної речовини з простої причини: Розподіл речовини у нашому Всесвіті в сьогоденні залежить від її розподілу в минулому. Зрештою, якби в минулому була купка матерії, ця матерія залучала б сусідню матерію, і грудочка зростала б. Так само, якби ми проектували в далеке майбутнє, розподіл матерії сьогодні вплинуло б на завтра з тієї ж причини.
Так, вчені використали вимірювання КМВ в 380 000 років після Великого вибуху, щоб розрахувати, як має виглядати Всесвіт через 7 мільярдів років пізніше. Коли вони порівнювали прогнози з вимірюваннями з DES, вони виявили, що вимірювання DES були трохи меншими, ніж прогнозовані.
Неповна картина
Це велика справа? Може бути. Невизначеність або помилка в двох вимірах досить велика, що означає, що вони не розходяться в статистично значущому вигляді. Це просто означає, що ніхто не може бути впевнений, що два виміри дійсно не згодні. Можливо, розбіжності виникають випадково через статистичні коливання даних або невеликі інструментальні ефекти, які не були враховані.
Навіть автори дослідження пропонують тут обережність. Результати вимірювання DES ще не були перевірені. Документи були подані для публікації, а результати були представлені на конференціях, але твердих висновків слід чекати, поки надійдуть звіти суддів.
Отже, яке майбутнє? DES має п'ятирічну місію, з якої було зафіксовано чотири роки даних. Нещодавно оголошений результат використовує лише дані, що стоять за перший рік. Більш свіжі дані досі аналізуються. Крім того, повний набір даних охопить 5000 квадратних градусів неба, тоді як останній результат охоплює лише 1500 квадратних градусів, а одноліткові лише половину шляху назад. Таким чином, історія явно не завершена. Аналіз повного набору даних очікується не можливо до 2020 року.
Однак отримані сьогодні дані вже можуть означати, що можливе напруження в нашому розумінні еволюції Всесвіту. І навіть якщо ця напруга зникає, коли аналізуються більше даних, співпраця DES продовжує проводити інші вимірювання. Пам'ятайте, що літери "DE" у назві означають темну енергію. Ця група врешті зможе сказати нам щось про поведінку темної енергії в минулому і те, що ми можемо очікувати, щоб побачити в майбутньому. Це нещодавнє вимірювання - лише початок того, що, як очікується, буде захоплюючим науково.
Ця версія статті спочатку була опублікована в Live Science.
