"Обзор темной энергии" дает самый точный взгляд на эволюцию Вселенной

Новые результаты "Обзора темной энергии" (DES) используют крупнейшую за всю историю выборку галактик на огромном участке неба для получения наиболее точных на сегодняшний день измерений состава и роста Вселенной. Ученые установили, что способ распределения материи по Вселенной согласуется с предсказаниями стандартной космологической модели, лучшей на сегодняшний день модели Вселенной.

Об этом рассказывают в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) Министерства энергетики США.

В течение шести лет DES обследовал 5000 квадратных градусов -- почти одну восьмую всего неба -- за 758 ночей наблюдения, в результате чего были каталогизированы сотни миллионов объектов. Объявленные сейчас результаты опираются на данные за первые три года -- 226 миллионов галактик, наблюдавшихся в течение 345 ночей, -- для создания крупнейших и точных карт распределения галактик во Вселенной сравнительно недавних эпох.

Поскольку DES изучал недалеко расположенные галактики, а также те, которые удалены на миллиарды световых лет, его карты дают представление как о текущей крупномасштабной структуре Вселенной, так и о том, как эта структура эволюционировала в течение последних 7 миллиардов лет.

Чтобы проверить современную космологическую модель Вселенной, ученые DES сравнили свои результаты с измерениями, полученными с помощью орбитальной обсерватории "Планк" Европейского космического агентства. Планк использовал световые сигналы, известные как космический микроволновый фон, чтобы заглянуть назад в раннюю Вселенную, только 400 000 лет после Большого Взрыва. Данные Планка дают точное представление о Вселенной 13 миллиардов лет назад, и стандартная космологическая модель предвидит, как темная материя должна была эволюционировать до настоящего времени. Если наблюдения DES не соответствуют этому предвидению, возможно, существует нераскрытый аспект Вселенной. Хотя DES и несколько других предыдущих обзоров галактик настоятельно намекали на то, что нынешняя Вселенная на несколько процентов менее кучная, чем предполагалось, -- интригующий вывод, который стоит дальнейшего исследования, -- недавно опубликованные результаты согласуются с предвидением.

"В области наложения ограничений на то, что мы знаем о распределении и структуре материи на больших масштабах под действием темной материи и темной энергии, DES получил лимиты, которые конкурируют и дополняют их с космического микроволнового фона", - сказал Брайан Янни, ученый из Фермилаб , который координировал обработку и управление данными DES. "Очень интересно иметь точные измерения того, что там находится, и получить лучшее понимание того, как Вселенная изменился с момента ее младенчества до сих пор".

Обычная материя составляет лишь около 5% Вселенной. Темная энергия, которая, по предположениям космологов, способствует ускорению расширения Вселенной, противодействуя силе гравитации, составляет около 70%. Остальные 25% -- это темная материя, гравитационное воздействие которой связывает галактики вместе. И темная материя, и темная энергия остаются невидимыми и загадочными, но DES пытается осветить их природу, изучая, как конкуренция между ними формирует крупномасштабную структуру Вселенной в течение космического времени.

DES сфотографировал ночное небо с помощью 570-мегапиксельной "Камеры темной энергии" на 4-метровом телескопе Виктора М. Бланко в Межамериканской обсерватории Серро Тололо в Чили в рамках программы NOIRLab Национального научного фонда США. "Камера темной энергии", одна из крупнейших цифровых камер в мире, была разработана специально для DES и построена и протестирована в Фермилаб. Данные DES обрабатывались в Национальном центре суперкомпьютерных технологий при Иллинойском университете в Урбана-Шампейн. Это финансировалось Министерством энергетики США.

570-мегапиксельная "Камера темной энергии" на телескопе. Фото: Reidar Hahn, Fermilab

"Эти анализы действительно самые современные, требующие искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений, загруженных самыми умными молодыми учеными", - сказал Скотт Додельсон, физик из Университета Карнеги Меллона, являющийся сопредседателем Научного комитета DES вместе с Элизабет Краузе из Аризонского университета. "Большая честь быть частью этой команды".

Для количественного определения распределения темной материи и влияния темной энергии DES опирался на два основных явления. Во-первых, в больших масштабах галактики не распределены хаотично по космосу, а наоборот, образуют похожую на паутину структуру благодаря гравитации темной материи. DES измерил, как эта космическая паутина развивалась на протяжении истории Вселенной. Кластеризация галактик, образующая космическую паутину, в свою очередь, показала регионы с большей плотностью темной материи.

Во-вторых, DES обнаружил сигнатуру темной материи с помощью слабого гравитационного линзирования. Когда свет из далекой галактики путешествует космосом, то гравитация как обычной, так и темной материи может согнуть его, что приводит к искаженному изображению галактики, которую видно с Земли. Изучая, как видимые формы отдаленных галактик совпадают между собой и с положениями соседних галактик вдоль прямой видимости, ученые DES сделали вывод о пространственном распределении (или кучности) темной материи во Вселенной.

Анализ огромных объемов данных, собранных DES, был тяжелым заданием. Команда начала с анализа только первого года данных, который был опубликован в 2017 году. Этот процесс подготовил исследователей к использованию более совершенных методов для анализа большого набора данных, который включает самую большую выборку галактик, когда-либо используемую для изучения слабого гравитационного линзирования.

Например, вычисление красного смещения галактики -- изменения длины волны света вследствие расширения Вселенной -- является ключевым шагом к измерению того, как меняется и кластеризация галактик, и слабое гравитационное линзирование в течение космической истории. Красное смещение галактики связано с ее расстоянием, что позволяет характеризовать кластеризацию как в пространстве, так и во времени.

"Был значительно улучшен способ калибровки распределения красных смещений в выборках галактик", - говорит Джудит Прат, докторант Чикагского университета, которая анализировала слабое гравитационное линзирование, зафиксированное DES. "Это были огромные усилия, в которые люди вложили много труда. Сейчас у нас есть метод, которым раньше никто не пользовался, и он очень надежный".

"Глубокие поля" Камеры темной материи. Фото: Dark Energy Survey

Десять областей неба были выбраны в качестве "глубоких полей", которые "Камера темной энергии" неоднократно снимала в течение опроса. Составление этих изображений вместе позволило ученым увидеть более отдаленные галактики. Затем команда использовала информацию о красном смещении из этих глубоких полей для калибровки измерений красного смещения в конце области обследования. Эти и другие достижения в измерениях и моделировании, в сочетании с трехкратным увеличением данных по сравнению с первым годом, позволили команде с беспрецедентной точностью определить плотность и кучность Вселенной.

Наряду с анализом сигналов слабого линзирования, DES также проводит точное измерение другие признаков, которые ограничивают космологическую модель независимыми способами: кластеризацию галактик в больших масштабах (барионные акустические осцилляции), частоту массивных скоплений галактик, а также высокоточные измерения яркости и красные смещения сверхновых типа Ia. Эти дополнительные измерения будут объединены с текущим анализом на основе слабого линзирования, чтобы получить еще более жесткие ограничения для стандартной модели.

"DES позволил получить экономически эффективные и передовые научные результаты, непосредственно связанные с миссией Фермилаб по изучению фундаментальной природы материи, энергии, пространства и времени", - сказал директор Фермилаб Найджел Локеер. "Преданная группа ученых, инженеров и техников из учреждений по всему миру привела DES к результату".

В сотрудничестве DES принимают участие более 400 ученых из 25 учреждений из 7 стран.

"Сотрудничество чрезвычайно молодое. Оно сильно наклонено в сторону докторантов и аспирантов, выполняющих огромное количество этой работы", - сказал директор и пресс-секретарь DES Рич Крон, ученый Фермилаб и Чикагского университета. "Это действительно радует. Новое поколение космологов проходит обучение с помощью Обзора темной энергии".

DES завершил наблюдения за ночным небом в 2019 году. Имея опыт анализа первой половины данных, команда теперь готова обрабатывать полный набор данных. Ожидается, что окончательный анализ DES создаст еще более точную картину темной материи и темной энергии во Вселенной. А методы, разработанные командой, открыли путь для будущих исследований неба для изучения тайн космоса.

"Настоящим наследием DES станут те прыжки вперед, которые нам пришлось сделать, которые были крайне важными для получения этого ключевого результата, и которые будут критическими для следующего поколения космологических экспериментов, которые начнутся в ближайшее время", - сказал Майкл Троксель, физик из Университета Дюка и ключевой координатор проекта по трехлетнему анализу данных DES. Ближайшие эксперименты будут включать как эксперименты с космоса, так и наземные, такие как Исследование наследия пространства и времени Обсерватории имени Веры К. Рубин.

"С помощью этих инструментов, которые мы создали, чтобы смотреть в темноту, мы работаем над разгадыванием вселенских тайн", - сказал Троксель.

Последние результаты DES были представлены на научном семинаре 27 мая. 29 статей доступны в онлайн-репозитории arXiv.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.