Anvender avanceret computervidenskab til et væld af nye astronomiske data, rapporterede forskere fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS) i dag den første robuste detektion af kosmisk forstørrelse på store skalaer, en forudsigelse af Einsteins generelle relativitetsteori anvendt til distribution af galakser , mørkt stof og fjerne kvasarer.
Disse fund, der blev accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal, detaljerede de subtile forvrængninger, som lys gennemgår, når det rejser fra fjerne kvasarer gennem nettet af mørkt stof og galakser, før de når observatører her på Jorden.
SDSS-opdagelsen afslutter en to tiår gammel uenighed mellem tidligere forstørrelsesmålinger og andre kosmologiske test af forholdet mellem galakser, mørkt stof og universets samlede geometri.
”Forvrængningen af formerne på baggrundsgalakser på grund af gravitationslinsering blev først observeret for over et årti siden, men ingen havde været i stand til pålideligt at registrere forstørrelsesdelen af linsesignalet”, forklarede hovedforsker Ryan Scranton fra University of Pittsburgh.
Når lys foretager sin 10 milliarder år lange rejse fra en fjern kvasar, bliver den afbøjet og fokuseret af tyngdekraften fra mørkt stof og galakser, en effekt kendt som gravitationslinsering. SDSS-forskerne målte definitivt den svage lysning eller ”forstørrelse” af kvasarer og forbinder effekten til densiteten af galakser og mørkt stof langs quasarlyset. SDSS-teamet har opdaget denne forstørrelse i lysstyrken på 200.000 kvasarer.
Mens gravitationslinse er en grundlæggende forudsigelse af Einsteins generelle relativitet, tilføjer SDSS-samarbejdets opdagelse en ny dimension.
”Det at observere forstørrelseseffekten er en vigtig bekræftelse af en grundlæggende forudsigelse af Einsteins teori,” forklarede SDSS-samarbejdspartner Bob Nichol ved University of Portsmouth (UK). ”Det giver os også en afgørende konsistenskontrol af den standardmodel, der er udviklet til at forklare samspillet mellem galakser, galakseholdere og mørk stof.”
Astronomer har forsøgt at måle dette aspekt af gravitationslinser i to årtier. Forstørrelsessignalet er imidlertid en meget lille virkning - så små som et par procent øges i lyset fra hver kvasar. Detektering af en sådan lille ændring krævede en meget stor prøve af kvasarer med præcise målinger af deres lysstyrke.
”Mens mange grupper tidligere har rapporteret påvisning af kosmisk forstørrelse, var deres datasæt ikke store nok eller præcise nok til at muliggøre en endelig måling, og resultaterne var vanskelige at forene med standard kosmologi,” tilføjede Brice Menard, en forsker ved Institut for avanceret undersøgelse i Princeton, NJ.
Gennembrudet kom tidligere i år ved hjælp af en nøjagtigt kalibreret prøve på 13 millioner galakser og 200.000 kvasarer fra SDSS-kataloget. De fuldt digitale data, der var tilgængelige fra SDSS, løste mange af de tekniske problemer, der plagede tidligere forsøg på at måle forstørrelsen. Nøglen til den nye måling var imidlertid udviklingen af en ny måde at finde kvasarer i SDSS-dataene på.
”Vi tog nye idéer fra computervidenskabens og statistikens verden og anvendte dem på vores data,” forklarede Gordon Richards fra Princeton University.
Richards forklarede, at SDSS-forskere ved hjælp af nye statistiske teknikker var i stand til at udtrække en prøve af kvasarer, der var 10 gange større end konventionelle metoder, hvilket muliggjorde den ekstraordinære præcision, der kræves for at finde forstørrelsessignalet. ”Vores klare detektion af linsesignalet kunne ikke have været gjort uden disse teknikker,” konkluderede Richards.
Seneste observationer af storstilet fordeling af galakser, den kosmiske mikrobølgebakgrund og fjerne supernovaer har ført astronomer til at udvikle en 'standardmodel' af kosmologi. I denne model repræsenterer synlige galakser kun en lille brøkdel af al universets masse, idet resten er lavet af mørkt stof.
Men for at forene tidligere målinger af det kosmiske forstørrelsessignal med denne model kræves der antagelse af usandsynlige antagelser om, hvordan galakser fordeles i forhold til det dominerende mørke stof. Dette fik nogle til at konkludere, at det grundlæggende kosmologiske billede var forkert eller i det mindste inkonsekvent. De mere præcise SDSS-resultater indikerer imidlertid, at tidligere datasæt sandsynligvis ikke var op til udfordringen med målingen.
"Med kvalitetsdataene fra SDSS og vores meget bedre metode til at vælge kvasarer har vi sat dette problem til at hvile," sagde Scranton. ”Vores måling er i overensstemmelse med resten af, hvad universet fortæller os, og den irriterende uenighed er løst.”
”Nu hvor vi har demonstreret, at vi kan foretage en pålidelig måling af den kosmiske forstørrelse, er det næste skridt at bruge det som et værktøj til at studere samspillet mellem galakser, mørkt stof og lys i meget større detaljer,” sagde Andrew Connolly fra University of Pittsburgh.
Original kilde: SDSS News Release
