"Огляд темної енергії" дає найточніший погляд на еволюцію Всесвіту

Нові результати "Огляду темної енергії" (DES) використовують найбільшу за всю історію вибірку галактик на величезній ділянці неба для отримання найбільш точних на сьогодні вимірювань складу та зростання Всесвіту. Вчені встановили, що спосіб розподілу матерії по Всесвіту узгоджується з передбаченнями стандартної космологічної моделі, найкращої на сьогоднішній день моделі Всесвіту.

Про це розповідають у Національній прискорювальній лабораторії Фермі (Фермілаб) Міністерства енергетики США.

Протягом шести років DES оглянув 5000 квадратних градусів -- майже одну восьму всього неба -- за 758 ночей спостереження, унаслідок чого було каталогізовано сотні мільйонів об’єктів. Оголошені зараз результати спираються на дані за перші три роки -- 226 мільйонів галактик, що спостерігалися протягом 345 ночей, -- для створення найбільших та точніших карт розподілу галактик у Всесвіті порівняно недавніх епох.

Оскільки DES вивчав недалеко розташовані галактики, а також ті, що віддалені на мільярди світлових років, його карти дають уявлення як про поточну великомасштабну структуру Всесвіту, так і про те, як ця структура еволюціонувала протягом останніх 7 мільярдів років.

Щоб перевірити сучасну космологічну модель Всесвіту, вчені DES порівняли свої результати з вимірюваннями, отриманими за допомогою орбітальної обсерваторії "Планк" Європейського космічного агентства. Планк використовував світлові сигнали, відомі як космічний мікрохвильовий фон, щоб зазирнути назад у ранній Всесвіт, лише 400 000 років після Великого Вибуху. Дані Планка дають точне уявлення про Всесвіт 13 мільярдів років тому, і стандартна космологічна модель передбачає, як темна матерія повинна була еволюціонувати до теперішнього часу. Якщо спостереження DES не відповідають цьому передбаченню, можливо, існує нерозкритий аспект Всесвіту. Хоча DES та кілька інших попередніх оглядів галактик настійливо натякали на те, що нинішній Всесвіт на кілька відсотків менш купчастий, ніж передбачалося, -- інтригуючий висновок, який вартий подальшого дослідження, -- нещодавно опубліковані результати узгоджуються з передбаченням.

"В області накладення обмежень на те, що ми знаємо про розподіл і структуру матерії на великих масштабах під дією темної матерії та темної енергії, DES отримав ліміти, які конкурують і доповнюють їх з космічного мікрохвильового фону", - сказав Брайан Янні, вчений з Фермілаб, який координував обробку та управління даними DES. "Дуже цікаво мати точні вимірювання того, що там знаходиться, та отримати краще розуміння того, як Всесвіт змінився з моменту його дитинства до сьогодні".

Звичайна матерія складає лише близько 5% Всесвіту. Темна енергія, яка, за припущеннями космологів, сприяє прискоренню розширення Всесвіту, протидіючи силі гравітації, становить близько 70%. Решта 25% -- це темна матерія, гравітаційний вплив якої зв′язує галактики разом. І темна матерія, і темна енергія залишаються невидимими і загадковими, але DES намагається висвітлити їх природу, вивчаючи, як конкуренція між ними формує крупномасштабну структуру Всесвіту впродовж космічного часу.

DES сфотографував нічне небо за допомогою 570-мегапіксельної "Камери темної енергії" на 4-метровому телескопі Віктора М. Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро Тололо в Чилі у рамках програми NOIRLab Національного наукового фонду США. "Камера темної енергії", одна з найпотужніших цифрових камер у світі, була розроблена спеціально для DES та побудована і протестована у Фермілаб. Дані DES оброблялися в Національному центрі суперкомп’ютерних технологій при Іллінойському університеті в Урбана-Шампейн. Це фінансувалося Міністерством енергетики США.

570-мегапіксельна "Камера темної енергії" на телескопі. Фото: Reidar Hahn, Fermilab

"Ці аналізи дійсно найсучасніші, такі, що вимагають штучного інтелекту та високопродуктивних обчислень, завантажених найрозумнішими молодими вченими", - сказав Скотт Додельсон, фізик з Університету Карнегі Меллона, який є співголовою Наукового комітету DES разом з Елізабет Краузе з Арізонського університету. "Велика честь бути частиною цієї команди".

Для кількісного визначення розподілу темної матерії та впливу темної енергії DES опирався на два основні явища. По-перше, у великих масштабах галактики не розподілені хаотично по космосу, а навпаки, утворюють схожу на павутину структуру завдяки гравітації темної матерії. DES виміряв, як ця космічна павутина розвивалася протягом історії Всесвіту. Кластеризація галактик, що утворює космічну павутину, у свою чергу, показала регіони з більшою щільністю темної матерії.

По-друге, DES виявив сигнатуру темної матерії за допомогою слабкого гравітаційного лінзування. Коли світло з далекої галактики подорожує космосом, то гравітація як звичайної, так і темної матерії може зігнути його, що призводить до спотвореного зображення галактики, яке видно із Землі. Вивчаючи, як видимі форми віддалених галактик співпадають між собою та з положеннями сусідніх галактик вздовж прямої видимості, вчені DES зробили висновок про просторовий розподіл (або купчастість) темної матерії у Всесвіті.

Аналіз величезних обсягів даних, зібраних DES, був тяжким завданням. Команда розпочала з аналізу лише першого року даних, який був опублікований у 2017 році. Цей процес підготував дослідників до використання більш досконалих методів для аналізу більшого набору даних, який включає найбільшу вибірку галактик, коли-небудь використовувану для вивчення слабкого гравітаційного лінзування.

Наприклад, обчислення червоного зміщення галактики -- зміни довжини хвилі світла внаслідок розширення Всесвіту -- є ключовим кроком до вимірювання того, як змінюється і кластеризація галактик, і слабке гравітаційне лінзування протягом космічної історії. Червоне зміщення галактики пов′язане з її відстанню, що дозволяє характеризувати кластеризацію як у просторі, так і в часі.

"Було значно покращено спосіб калібрування розподілу червоних зміщень у виборках галактик", - каже Джудіт Прат, докторант Чиказького університету, яка аналізувала слабке гравітаційне лінзування, зафіксоване DES. "Це були величезні зусилля, в які люди вклали багато праці. Зараз у нас є метод, яким раніше ніхто не користувався, і він дуже надійний".

"Глибокі поля" Камери темної матерії. Фото: Dark Energy Survey

Десять областей неба були обрані у якості "глибоких полів", які "Камера темної енергії" неодноразово знімала протягом опитування. Складання цих зображень разом дозволило вченим побачити більш віддалені галактики. Потім команда використовувала інформацію про червоне зміщення із цих глибоких полів для калібрування вимірювань червоного зміщення в решті області обстеження. Ці та інші досягнення у вимірах та моделюванні, в поєднанні з триразовим збільшенням даних порівняно з першим роком, дозволили команді з безпрецедентною точністю визначити щільність та купчастість Всесвіту.

Поряд з аналізом сигналів слабкого лінзовування, DES також проводить точне вимірювання інші ознак, які обмежують космологічну модель незалежними способами: кластеризацію галактик у більших масштабах (баріонні акустичні осциляції), частоту масивних скупчень галактик, а також високоточні вимірювання яскравості та червоні зміщення наднових типу Ia. Ці додаткові вимірювання будуть поєднані з поточним аналізом на основі слабкого лінзування, щоб отримати ще більш жорсткі обмеження для стандартної моделі.

"DES дозволив отримати економічно ефективні та передові наукові результати, безпосередньо пов′язані з місією Фермілаб з вивчення фундаментальної природи матерії, енергії, простору та часу", - сказав директор Фермілаб Найджел Локєєр. "Віддана група вчених, інженерів та техніків із установ по всьому світу привела DES до результату".

У співпраці DES приймають участь понад 400 вчених з 25 установ із 7 країн.

"Співпраця надзвичайно молода. Вона сильно нахилена в бік докторантів та аспірантів, які виконують величезну кількість цієї роботи", - сказав директор та речник DES Річ Крон, вчений Фермілаб та Чиказького університету. "Це дійсно радує. Нове покоління космологів проходить навчання за допомогою Огляду темної енергії".

DES завершив спостереження за нічним небом у 2019 році. Маючи досвід аналізу першої половини даних, команда тепер готова обробляти повний набір даних. Очікується, що остаточний аналіз DES створить ще більш точну картину темної матерії та темної енергії у Всесвіті. А методи, розроблені командою, відкрили шлях для майбутніх досліджень неба для вивчення таємниць космосу.

"Справжньою спадщиною DES стануть ті стрибки вперед, які нам довелося зробити, які були вкрай важливими для отримання цього ключового результату, і які будуть критичними для наступного покоління космологічних експериментів, що розпочнуться найближчим часом", - сказав Майкл Троксель, фізик з університету Дюка та ключовий координатор проекту із трирічного аналізу даних DES. Найближчі експерименти включатимуть як експерименти з космосу, так і наземні, такі як Дослідження спадщини простору та часу Обсерваторії імені Вери К. Рубін.

"За допомогою цих інструментів, які ми створили, щоб дивитись у темряву, ми працюємо над розгадуванням вселенських таємниць", - сказав Троксель.

Останні результати DES були представлені на науковому семінарі 27 травня. 29 статей доступні в онлайн-репозиторії arXiv.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.