|
Первый свет во Вселенной помог построить карту темной материи
|
|
|
|
В 1960-х астрономы начали замечать широко распространенный микроволновый фон, видимый во всех направлениях. После этого известное как космический микроволновый фон (CMB), существование этого реликтового излучения подтвердило теорию Большого взрыва, которая постулирует, что вся материя была сконденсирована в единую точку бесконечной плотности и чрезвычайно высокой температуры, которая начала расширяться ок. 13,8 миллиардов лет назад. Измеряя реликтовое излучение для красного смещения и сравнивая его с локальными измерениями расстояния (с использованием переменных звезд и сверхновых), астрономы стремились измерить скорость, с которой Вселенная расширяется.
|
|
|
|
Примерно в то же время ученые заметили, что кривые вращения галактик намного выше, чем предполагает их видимая масса. Это означало, что либо общая теория относительности Эйнштейна неверна, либо Вселенная заполнена таинственной невидимой массой. В новой серии статей члены коллаборации Atacama Cosmology Telescope (ACT) использовали фоновый свет от реликтового излучения для создания новой карты распределения темной материи, которая охватывает четверть неба и простирается глубоко в космос. Эта карта подтверждает общую теорию относительности и ее предсказания относительно того, как масса изменяет кривизну пространства-времени. ACT — это международный консорциум, в который входят более 160 ученых из США, Великобритании, Канады, Франции, Германии, Италии, Чили, Швейцарии, Японии, Южной Африки и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
|
|
|
Их цель — улучшить измерения параметров, описывающих очень раннюю Вселенную, путем наблюдения за светом, появившимся во время «Космического рассвета» (когда Вселенной было всего 380 000 лет), который сегодня виден как реликтовое излучение. Сравнивая это с измерениями локальной вселенной, астрономы и космологи надеются узнать больше о том, как она развивалась. Согласно преобладающей космологической модели — модели лямбда-холодной темной материи (LCDM) — темная материя составляет 85% массы космоса. К сожалению, он не взаимодействует с обычным («светящимся») веществом через электрослабые или сильные ядерные силы, а только через гравитацию (самую слабую из фундаментальных сил). Чтобы отследить эту призрачную и «невидимую» массу, коллаборация ACT использует космологический телескоп Атакама (ACT), специально построенный шестиметровый телескоп миллиметрового диапазона, расположенный в обсерватории Льяно-де-Чахнантор на севере Чили.
|
|
|
|
Как они описывают в своих трех новых статьях, запланированных к публикации в The Astrophysical Journal, команда полагалась на данные 6-го выпуска данных ACT (DR6), который состоял из пяти сезонов наблюдений за температурой и поляризацией реликтового излучения. Эти показания света использовались для подсветки всей материи между сегодняшним днем и Большим взрывом (около 13,8 миллиардов лет назад). Сюзанна Стэггс, профессор физики Принстонского университета и директор ACT, сказала Сюзанна Стэггс: «Это немного похоже на создание силуэта, но вместо черного в силуэте у вас есть текстура и комки темной материи, как если бы свет струился через тканевый занавес, на котором было много узлов и неровностей. желтое изображение реликтового излучения — это моментальный снимок того, какой была Вселенная в одну эпоху, около 13 миллиардов лет назад, и теперь это дает нам информацию обо всех эпохах с тех пор».
|
|
|
|
Упомянутое здесь изображение представляет собой знаменитое изображение всего неба, основанное на данных, собранных зондом Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) в период с 2001 по 2003 год. Эта миссия (которая оставалась в эксплуатации до 2010 года) основана на предыдущей работе Cosmic Background Explorer. (COBE), который собирал данные о CMB с 1989 по 1993 год. Затем появился спутник ESA Planck, который измерял реликтовое излучение с 2009 по 2013 год, чтобы составить карту крошечных колебаний температуры. Полученные в результате все более точные карты дали представление об эволюции космоса, показав, каковы были его начальные условия.
|
|
|
|
Эта последняя карта продвинула это исследование на шаг вперед, используя ее для измерения того, как с тех пор эволюционировала структура материи, 85% которой составляет темная материя. Чтобы визуализировать присутствие и распределение этой загадочной массы, исследовательская группа изучила, как ее гравитация влияет на кривизну пространства-времени между реликтовым излучением и Землей. Это эффективно показало, как большие скопления массы (как видимой, так и невидимой) изменили путь, по которому шел ее свет, когда он путешествовал за миллиарды световых лет (и миллиарды лет), чтобы достичь нас.
|
|
|
|
Команда проследила, как гравитационное притяжение массивных структур темной материи может деформировать реликтовое излучение на его 14-миллиардном пути к нам, точно так же, как старинные бугристые окна изгибаются и искажают то, что мы можем видеть через них. Полученная карта показала «эшафот» Темной Материи, которая удерживает видимую материю, окружает и соединяет галактики и скопления галактик. Это привело к крупномасштабной структуре Вселенной (часто называемой «Космической паутиной»), которую можно ясно увидеть на изображении. Карта также нарушает условности, измеряя распределение материи в нашей Вселенной не с точки зрения света, а с точки зрения массы. По словам соавтора Блейка Шервина, доктора философии 2013 г. выпускник Принстона и профессор космологии Кембриджского университета (где он возглавляет исследовательскую группу ACT):
|
|
|
|
«Мы нанесли на карту распределение невидимой темной материи по небу, и это именно то, что предсказывают наши теории. Это ошеломляющее свидетельство того, что мы понимаем историю того, как структура нашей Вселенной формировалась на протяжении миллиардов лет, сразу после Большого взрыва до сегодня. Примечательно, что 80% массы Вселенной невидимы. Сопоставляя распределение темной материи по небу на самых больших расстояниях, наши измерения линз ACT позволяют нам ясно видеть этот невидимый мир». «Мы создали новую карту масс, используя искажения света, оставшиеся после Большого взрыва», — сказал доцент Принстона Мэтью Мадхавачерил, постдоктор Принстонского университета в 2016–2018 годах и ведущий автор одной из статей. «Примечательно, что он обеспечивает измерения, которые показывают, что как «комковатость» Вселенной, так и скорость, с которой она растет после 14 миллиардов лет эволюции, — это именно то, что вы ожидаете от нашей стандартной модели космологии, основанной на теории Эйнштейна. гравитации».
|
|
|
|
Марк Девлин, профессор астрономии Университета Пенсильвании и заместитель директора ACT, был одним из немногих исследователей, которые увидели потенциал этого эксперимента еще в начале 2000-х годов. «Когда мы предложили этот эксперимент в 2003 году, мы понятия не имели, сколько информации можно извлечь из нашего телескопа», — сказал он. «Мы обязаны этим умению теоретиков, многим людям, которые построили новые инструменты, чтобы сделать наш телескоп более чувствительным, и новым методам анализа, которые придумала наша команда». Их результаты также могут дать новое понимание так называемого «кризиса в космологии», когда измерения света с использованием реликтового излучения и местных звезд дают разные значения. Это несоответствие, также известное как «напряжение Хаббла», предполагает, что темная материя не была достаточно «комковатой» и что стандартная модель космологии (LCDM) может быть неверной. Однако последние результаты группы ACT точно оценили размер и распределение этих комков и определили, что они полностью соответствуют модели LCDM. Стэггс, чья команда построила детекторы, собиравшие данные за последние пять лет, считает, что их новая карта может превратить этот «кризис» в возможность:
|
|
|
|
«Реликтовое излучение уже известно своими беспрецедентными измерениями изначального состояния Вселенной, поэтому эти карты линзирования, описывающие ее последующую эволюцию, — почти смущение богатства. Теперь у нас есть вторая, очень первичная карта Вселенной. Вместо «кризис», я думаю, у нас есть исключительная возможность использовать эти различные наборы данных вместе.Наша карта включает всю темную материю, восходящую к Большому взрыву, а другие карты оглядываются назад примерно на 9 миллиардов лет, что дает нам слой, который намного ближе к нам. Мы можем сравнить их, чтобы узнать о росте структур во Вселенной. Я думаю, это окажется действительно интересным. То, что два подхода получают разные измерения, завораживает».
|
|
|
|
Хотя ACT был выведен из эксплуатации в сентябре 2022 года (после 15 лет эксплуатации), собранные им данные до сих пор вдохновляют на новые исследования и открытия. Ожидается, что в ближайшее время будут опубликованы новые документы, представляющие результаты последнего набора наблюдений в DR6, и обсерватория Саймонса будет проводить будущие наблюдения с того же прицела. Это будет сделано с использованием нового телескопа, запуск которого запланирован на 2024 год. Он будет способен отображать небо почти в десять раз быстрее, чем ACT. Возможно, мы можем рассчитывать на обзоры всего неба, которые отображают распределение темной материи, начиная с самого начала космоса.
|
|
|
|
Источник
|
