Don Lincoln on vanhempi tutkija Yhdysvaltain energiaministeriön Fermilabissa, maan suurimmassa Hadron Collider-tutkimuslaitoksessa. Hän kirjoittaa myös tieteestä suurelle yleisölle, mukaan lukien hänen viimeisimmän "Suuri hadronin kolari: Higgs Bosonin ylimääräinen tarina ja muut mieltäsi tulevat asiat"(Johns Hopkins University Press, 2014). Voit seurata häntäFacebook. Lincoln kirjoitti tämän artikkelin Live Science'silleAsiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
Niin kauan kuin olemme pitäneet kirjanpitoa, ihmiskunta on ihmetellyt yötaivaalla. Olemme katsoneet taivaita määritelläksesi jumalien tahdon ja miettiäksemme sen kaiken merkitystä. Pelkät 5000 tähteä, jotka voimme nähdä apuvälineettömällä silmällä, ovat olleet ihmiskunnan seuralaisia vuosituhansien ajan.
Nykyaikaiset tähtitieteelliset tilat ovat osoittaneet meille, että maailmankaikkeus ei koostu vain tuhansista tähtiä - se koostuu sadoista miljardeista tähtiä pelkästään galaksissamme, ja biljoonia galakseja. Observatoriat ovat opettaneet meille maailmankaikkeuden syntymästä ja evoluutiosta. Ja 3. elokuuta uusi laitos antoi ensimmäisen aineellisen ilmoituksensa ja lisäsi ymmärrystämme kosmosta. Se antaa meille mahdollisuuden nähdä sellainen, jota ei voi tavoittaa, ja se osoitti, että aineen jakautuminen maailmankaikkeudessa poikkesi hiukan odotuksista.
Dark Energy Survey (DES) on noin 400 tutkijan yhteistyö, joka on aloittanut viisivuotisen tehtävän tutkia kaukaisia galakseja vastatakseen maailmankaikkeuden historiaa koskeviin kysymyksiin. Se käyttää pimeän energian kameraa (DEC), joka on kiinnitetty Victor M. Blancon 4-metriseen teleskooppiin Cerro Tololo-Amerikan välisessä observatoriossa Chilen Andeilla. DEC kokoonpantiin Yhdysvalloissa Fermilabissa lähellä Bataviaa, Illinois, ja se on 570 megapikselin kamera, joka pystyy kuvaamaan galakseja niin kaukana, että niiden valo on miljoonasosa yhtä kirkas kuin himmeimmin näkyvät tähdet.
Tumma energia ja pimeä aine
DES etsii pimeää energiaa, joka on ehdotettu energiakenttä maailmankaikkeudessa, joka on vastenmääräinen painovoiman muoto. Vaikka painovoima kohdistaa vastustamattoman vetovoiman, tumma energia työntää maailmankaikkeutta laajenemaan yhä nopeammin. Sen vaikutus havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1998, ja meillä on edelleen monia kysymyksiä sen luonteesta.
Mittaamalla 300 miljoonan galaksin sijainti ja etäisyys eteläisellä yötaivaalla, tutkimus pystyy kuitenkin antamaan tärkeitä lausuntoja toisesta tähtitieteellisestä mysteeristä, nimeltään pimeä aine. Pimeän aineen ajatellaan olevan viisi kertaa yleisempää maailmankaikkeudessa kuin tavallisen aineen. Se ei kuitenkaan ole vuorovaikutuksessa valon, radioaaltojen tai minkään muun sähkömagneettisen energian kanssa. Ja ei näytä kokoontuvan muodostamaan suuria kappaleita, kuten planeettoja ja tähtiä.
Tummaa ainetta (tästä nimi) ei voida nähdä suoraan. Sen vaikutukset voidaan kuitenkin nähdä epäsuorasti analysoimalla kuinka nopeasti galaksit pyörivät. Jos lasket pyörimisnopeudet, joita galaksien näkyvä massa tukee, huomaat, että ne pyörivät nopeammin kuin pitäisi. Kaikkien oikeuksien mukaan nämä galaksit olisi purettava toisistaan. Vuosikymmenien tutkimuksen jälkeen tähtitieteilijät ovat päättäneet, että kukin galaksi sisältää tummaa ainetta, joka luo lisäpainovoiman, joka pitää galaksit yhdessä.
Tumma aine maailmankaikkeudessa
Yksittäisten galaksien tutkiminen ei kuitenkaan riitä maailmankaikkeuden huomattavasti suuremmassa mittakaavassa. Tarvitaan toinen lähestymistapa. Tätä varten tähtitieteilijöiden on käytettävä tekniikkaa, jota kutsutaan gravitaatiolinssiksi.
Albert Einstein ennusti gravitaation linssin vuonna 1916, ja Sir Arthur Eddington havaitsi sen ensimmäisen kerran vuonna 1919. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoria kertoo, että kokemamme painovoima todella johtuu avaruus-ajan kaarevuudesta. Koska valo kulkee suorassa linjassa avaruuden läpi, jos avaruus-aika on kaareva, se näyttää tarkkailijalle ikään kuin valo kulkisi kaarevaa polkua avaruuden läpi.
Tämä ilmiö voidaan valjastaa tutkimaan tumman aineen määrää ja jakautumista maailmankaikkeudessa. Tutkijat, jotka vertaavat kaukaista galaksia (nimeltään linssi-galaksi), jolla on toinen galaksi vielä kauempana sen takana (kutsutaan havaittuksi galakseksi), voivat nähdä vääristyneen kuvan havaitusta galaksista. Vääristymä liittyy objektiivin galaksin massaan. Koska linssi-galaksin massa on yhdistelmä näkyvää ainetta ja tummaa ainetta, gravitaation avulla tapahtuva linssi antaa tutkijoille mahdollisuuden tarkkailla suoraan tumman aineen olemassaoloa ja jakautumista yhtä suurilla asteikoilla kuin itse maailmankaikkeus. Tämä tekniikka toimii myös silloin, kun suuri etualalla sijaitsevien galaksien ryhmä vääristää vielä kauempana olevien galaksien klustereiden kuvia, mikä on tässä mittauksessa käytetty tekniikka.
Lumpy vai ei?
DES-yhteistyö julkaisi äskettäin analyysin, jossa käytettiin juuri tätä tekniikkaa. Ryhmä tarkasteli näytettä 26 miljoonasta galaksista neljällä eri etäisyydellä Maasta. Lähemmät galaksit linssivat kauempana. Käyttämällä tätä tekniikkaa ja tarkastelemalla tarkkaan kaikkien galaksien kuvien vääristymiä, he pystyivät kartoittamaan näkymättömän pimeän aineen jakautumisen ja sen, kuinka se liikkui ja rypistyi viimeisen 7 miljardin vuoden aikana, tai puolet sen elinkaaresta. maailmankaikkeus.
Odotetulla tavalla he havaitsivat, että maailmankaikkeuden pimeä aine oli "muhkaa". Oli kuitenkin yllätys - se oli hiukan vähemmän jähmeä kuin aikaisemmat mittaukset olivat ennustaneet.
Yksi näistä ristiriitaisista mittauksista tulee jäännösradiosignaalista, joka on aikaisintaan Ison räjähdyksen jälkeen, nimeltään kosminen mikroaaltotausta (CMB). CMB sisältää energian jakautumisen kosmossa, kun se oli 380 000 vuotta vanha. Vuonna 1998 Cosmic Background Explorer (COBE) -yhteistyö ilmoitti, että CMB ei ollut täysin yhtenäinen, vaan sen lämpimät ja kylmät pisteet erottuivat yhdestä yhdellä osalla 100 000: sta. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ja Planck -satelliitit vahvistivat ja tarkensivat COBE-mittauksia.
Seitsemän miljardin vuoden kuluessa CMB: n päästöstä ja DES: n tutkimaan ajanjaksoon maailmankaikkeuden kuumimmat alueet siemenivät kosmoksen rakenteen muodostumisen. CMB: hen vangittu epäyhtenäinen energian jakautuminen yhdistettynä painovoiman vahvistavaan voimaan aiheutti eräiden universumin pisteiden tiivistymisen ja toisten vähemmän. Tuloksena on maailmankaikkeus, jonka näemme ympärillämme.
CMB ennustaa tumman aineen jakautumisen yksinkertaisesta syystä: Aineen jakautuminen nykymaailmassamme riippuu sen jakautumisesta menneisyydessä. Loppujen lopuksi, jos aiemmin olisi ollut asiakokonaisuutta, se houkuttelee lähellä olevaa ainetta ja kohouma kasvaa. Vastaavasti, jos aiomme projektin kaukaiseen tulevaisuuteen, aineen jakautuminen vaikuttaa tänään huomisiin samasta syystä.
Joten tutkijat ovat käyttäneet CMB: n mittauksia 380 000 vuoden kuluttua Ison räjähdyksen jälkeen laskeakseen miltä maailmankaikkeuden tulisi näyttää 7 miljardia vuotta myöhemmin. Kun he vertasivat ennusteita DES: n mittauksiin, he havaitsivat, että DES-mittaukset olivat hiukan vähemmän palamat kuin ennusteet.
Epätäydellinen kuva
Onko se iso juttu? Voi olla. Epävarmuus tai virhe kahdessa mittauksessa on riittävän suuri, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole eri mieltä tilastollisesti merkitsevällä tavalla. Se tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että kukaan ei voi olla varma siitä, että nämä kaksi mittausta todella eroavat toisistaan. Voi olla, että erot johtuvat sattumalta datan tilastollisista vaihtelusta tai pienistä instrumenttivaikutuksista, joita ei otettu huomioon.
Jopa tutkimuksen kirjoittajat ehdottavat varovaisuutta tässä. DES-mittauksia ei ole vielä vertaisarvioitu. Lehdet toimitettiin julkaistavaksi ja tulokset esiteltiin konferensseissa, mutta päätelmien tulisi odottaa, kunnes erotuomarin raportit tulevat.
Joten mikä on tulevaisuus? DES: llä on viiden vuoden tehtävä, josta on tallennettu neljä vuotta tietoa. Äskettäin julkistettu tulos käyttää vain ensimmäisen vuoden tietoja. Uusia tietoja analysoidaan edelleen. Lisäksi koko tietojoukko kattaa 5000 neliöastetta taivasta, kun taas viimeaikainen tulos kattaa vain 1 500 neliöastetta ja vertaiset vain puolet tiestä taaksepäin ajassa. Siksi tarina ei selvästikään ole täydellinen. Koko tietojoukon analyysiä odotetaan vasta vuonna 2020.
Kuitenkin jo tänään otetut tiedot voivat tarkoittaa, että ymmärryksessämme maailmankaikkeuden kehityksestä on mahdollista jännitteitä. Ja vaikka tämä jännite katoaa, kun lisätietoja analysoidaan, DES-yhteistyö jatkaa muiden mittausten tekemistä. Muista, että nimessä olevat kirjaimet "DE" tarkoittavat pimeää energiaa. Tämä ryhmä voi lopulta kertoa meille jotain tumman energian käyttäytymisestä menneisyydessä ja siitä, mitä voimme odottaa näkevän tulevaisuudessa. Tämä viimeaikainen mittaus on vasta alku siihen, jonka odotetaan olevan tieteellisesti kiehtovaa.
Tämä artikkelin versio on alun perin julkaistu Live Science -sivustolla.
