Дон Линкольн - старший научный сотрудник Fermilab Министерства энергетики США, крупнейшего в стране исследовательского института по изучению Большого адронного коллайдера. Он также пишет о науке для общественности, в том числе его последние "Большой адронный коллайдер: необычная история бозона Хиггса и других вещей, которые поразят ваш разум"(Издательство Университета Джонса Хопкинса, 2014). Вы можете подписаться на него вfacebook, Линкольн внес эту статью в Live Science'sГолоса экспертов: Op-Ed & Insights.
Пока мы вели записи, человечество восхищалось ночным небом. Мы смотрели на небеса, чтобы определить волю богов и задуматься о значении всего этого. Простые 5000 звезд, которые мы видим невооруженным глазом, были спутниками человечества на протяжении тысячелетий.
Современные астрономические объекты показали нам, что Вселенная состоит не только из тысяч звезд - она состоит из сотен миллиардов звезд только в нашей галактике с триллионами галактик. Обсерватории научили нас рождению и развитию Вселенной. А 3 августа новый объект сделал свое первое существенное заявление и добавил наше понимание космоса. Это позволяет нам видеть невидимое, и это показывает, что распределение материи во вселенной немного отличается от ожиданий.
The Dark Energy Survey (DES) - это сотрудничество около 400 ученых, которые приступили к пятилетней миссии по изучению далеких галактик, чтобы ответить на вопросы об истории Вселенной. Он использует камеру темной энергии (DEC), прикрепленную к 4-метровому телескопу Виктора М. Бланко в Межамериканской обсерватории Серро Тололо в Чилийских Андах. DEC была собрана в США в Фермилаб около Батавии, штат Иллинойс, и представляет собой 570-мегапиксельную камеру, способную снимать галактики так далеко, что их свет в миллион раз ярче, чем у самых тусклых видимых звезд.
Темная энергия и темная материя
DES охотится за темной энергией, которая является предполагаемым энергетическим полем во вселенной, которое является отталкивающей формой гравитации. В то время как гравитация создает непреодолимое притяжение, темная энергия заставляет вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Его эффект был впервые обнаружен в 1998 году, и у нас все еще есть много вопросов о его природе.
Однако, измерив местоположение и расстояние 300 миллионов галактик в южном ночном небе, исследование сможет сделать важные заявления о другой астрономической загадке, называемой темной материей. Считается, что темная материя распространена во вселенной в пять раз больше, чем обычная материя. Тем не менее, он не взаимодействует со светом, радиоволнами или любой другой формой электромагнитной энергии. И кажется, что он не собирается в большие тела, такие как планеты и звезды.
Нет возможности напрямую увидеть темную материю (отсюда и название). Однако его влияние можно увидеть косвенно, анализируя скорость вращения галактик. Если вы вычислите скорости вращения, поддерживаемые видимой массой галактик, вы обнаружите, что они вращаются быстрее, чем должны. По праву, эти галактики должны быть разорваны на части. После десятилетий исследований астрономы пришли к выводу, что каждая галактика содержит темную материю, которая генерирует дополнительную гравитацию, которая удерживает галактики вместе.
Темная материя во вселенной
Однако в гораздо большем масштабе Вселенной изучение отдельных галактик недостаточно. Необходим другой подход. Для этого астрономы должны использовать технику, называемую гравитационным линзированием.
Гравитационное линзирование было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном и впервые наблюдалось сэром Артуром Эддингтоном в 1919 году. Теория общей теории относительности Эйнштейна говорит, что гравитация, которую мы испытываем, действительно вызвана кривизной пространства-времени. Поскольку свет движется по прямой в пространстве, если пространство-время искривлено, он будет смотреть на наблюдателя так, как если бы он путешествовал по искривленной траектории в пространстве.
Это явление можно использовать для изучения количества и распределения темной материи во вселенной. Ученые, которые смотрят на далекую галактику (называемую галактикой-линзой), у которой есть еще одна галактика еще дальше (называемая наблюдаемой галактикой), могут увидеть искаженное изображение наблюдаемой галактики. Искажение связано с массой линзирующей галактики. Поскольку масса линзирующей галактики представляет собой комбинацию видимой материи и темной материи, гравитационная линза позволяет ученым непосредственно наблюдать за существованием и распределением темной материи в таких масштабах, как сама Вселенная. Этот метод также работает, когда большое скопление галактик переднего плана искажает изображения скоплений еще более отдаленных галактик, что является техникой, используемой для этого измерения.
Кусковой или нет?
Сотрудничество DES недавно выпустило анализ, использующий именно эту технику. Команда рассмотрела выборку из 26 миллионов галактик на четырех разных расстояниях от Земли. Более близкие галактики линзировали те, которые были дальше. Используя эту технику и внимательно изучая искажения изображений всех галактик, они смогли наметить распределение невидимой темной материи и то, как она двигалась и слипалась за последние 7 миллиардов лет, или половину срока жизни вселенная.
Как и ожидалось, они обнаружили, что темная материя вселенной была «комом». Тем не менее, был сюрприз - он был немного менее комом, чем предсказывали предыдущие измерения.
Одно из этих противоречивых измерений исходит от остатка радиосигнала с самого раннего времени после Большого взрыва, называемого космическим микроволновым фоном (CMB). CMB содержит в себе распределение энергии в космосе, когда ему было 380 000 лет. В 1998 году коллаборация Cosmic Background Explorer (COBE) объявила, что CMB не был идеально однородным, а скорее имел горячие и холодные точки, которые отличались от однородных на 1 часть на 100 000. Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP) и спутники Планка подтвердили и уточнили измерения COBE.
За 7 миллиардов лет, прошедших между излучением CMB и периодом времени, исследованным DES, в этих более горячих областях вселенной образовалась структура космоса. Неравномерное распределение энергии, захваченное в CMB, в сочетании с усиливающей силой тяжести привело к тому, что некоторые точки во вселенной стали более плотными, а другие - менее. Результатом является вселенная, которую мы видим вокруг нас.
CMB предсказывает распределение темной материи по простой причине: распределение материи в нашей вселенной в настоящем зависит от ее распределения в прошлом. В конце концов, если бы в прошлом имел место скопление материи, эта материя притягивала бы соседнюю материю, и эта скопление росло бы. Точно так же, если бы мы проецировали в отдаленное будущее, распределение материи сегодня повлияло бы на завтрашнее по той же причине.
Итак, ученые использовали измерения CMB через 380 000 лет после Большого взрыва, чтобы вычислить, как должна выглядеть Вселенная через 7 миллиардов лет. Когда они сравнили прогнозы с измерениями из DES, они обнаружили, что измерения DES были немного менее единообразными, чем прогнозы.
Неполная картина
Это большое дело? Может быть. Неопределенность или ошибка в двух измерениях достаточно велика, что означает, что они не расходятся в статистически значимом смысле. Это просто означает, что никто не может быть уверен, что два измерения действительно не согласны. Возможно, что расхождения возникают случайно из-за статистических колебаний в данных или из-за небольших инструментальных эффектов, которые не были учтены.
Даже авторы исследования предложили бы здесь осторожность. Измерения DES еще не прошли рецензирование. Документы были представлены для публикации, а результаты были представлены на конференциях, но твердые выводы следует подождать, пока не поступят отчеты рефери.
Итак, каково будущее? DES имеет пятилетнюю миссию, из которой были записаны данные за четыре года. Недавно анонсированный результат использует только данные за первый год. Более свежие данные все еще анализируются. Кроме того, полный набор данных будет охватывать 5000 квадратных градусов неба, в то время как недавний результат охватывает только 1 500 квадратных градусов и сопоставляет только половину пути назад во времени. Таким образом, история явно не завершена. Анализ полного набора данных не ожидается до 2020 года.
Тем не менее, данные, полученные сегодня, уже могут означать, что в нашем понимании эволюции вселенной существует напряженность. И даже если это напряжение исчезнет, когда будет проанализировано больше данных, коллаборация DES продолжает проводить другие измерения. Помните, что буквы «DE» в названии обозначают темную энергию. Эта группа в конечном итоге сможет рассказать нам кое-что о поведении темной энергии в прошлом и о том, что мы можем ожидать в будущем. Это недавнее измерение - только начало того, что, как ожидают, будет научно захватывающим временем.
Эта версия статьи была первоначально опубликована на Live Science.
