Don Lincoln er seniorforsker ved U.S. Department of Energy's Fermilab, landets største forskningsinstitution for Large Hadron Collider. Han skriver også om videnskab for offentligheden, herunder hans nylige "Den store Hadron Collider: Den ekstraordinære historie om Higgs Boson og andre ting, der vil sprænge dit sind"(Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham videreFacebook. Lincoln bidrog med denne artikel til Live ScienceEkspertstemmer: Op-Ed & indsigt.
Så længe vi har ført registreringer, har menneskeheden undret sig over nattehimlen. Vi har set på himlen for at bestemme gudernes vilje og undre os over betydningen af det hele. De blot 5.000 stjerner, som vi kan se med det blæste øje, har været menneskehedens ledsagere i årtusinder.
Moderne astronomiske faciliteter har vist os, at universet ikke består af kun tusinder af stjerner - det består af hundreder af milliarder af stjerner i vores galakse alene med billioner af galakser. Observatorier har lært os om universets fødsel og udvikling. Og den 3. august afgav en ny facilitet sin første materielle meddelelse og tilføjede vores forståelse af kosmos. Det giver os mulighed for at se det usynlige, og det viste, at fordelingen af stof i universet adskiller sig lidt fra forventningerne.
The Dark Energy Survey (DES) er et samarbejde med omkring 400 videnskabsmænd, der har taget ud på en fem-årig mission for at studere fjerne galakser for at besvare spørgsmål om universets historie. Det bruger Dark Energy Camera (DEC), der er knyttet til Victor M. Blanco 4-meter teleskop ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i de chilenske Andes. DEC blev samlet i U.S. ved Fermilab nær Batavia, Illinois, og er et 570 megapixel kamera, der er i stand til at afbilde galakser så langt væk, at deres lys er en milliondel så lys som de dimmeste synlige stjerner.
Mørk energi og mørk stof
DES jager efter mørk energi, som er et foreslået energifelt i universet, der er en frastødende form af tyngdekraft. Mens tyngdekraften udøver en uimodståelig tiltrækning, skubber mørk energi universet til at ekspandere i en stigende hastighed. Dets virkning blev først observeret i 1998, og vi har stadig mange spørgsmål om dens art.
Ved at måle placeringen og afstanden til 300 millioner galakser i den sydlige nattehimmel, vil undersøgelsen imidlertid være i stand til at fremsætte vigtige udsagn om et andet astronomisk mysterium, kaldet mørk materie. Mørk stof antages at være fem gange mere udbredt i universet end almindelig stof. Alligevel interagerer det ikke med lys, radiobølger eller nogen form for elektromagnetisk energi. Og det ser ikke ud til at samles for at danne store kroppe som planeter og stjerner.
Der er ingen måde at se mørke stoffer direkte på (deraf navnet). Imidlertid kan dens virkninger ses indirekte ved at analysere, hvor hurtigt galakser roterer. Hvis du beregner rotationshastighederne understøttet af galaksenes synlige masse, vil du opdage, at de roterer hurtigere end de burde. Med alle rettigheder skal disse galakser rives fra hinanden. Efter årtiers forskning har astronomer konkluderet, at hver galakse indeholder mørkt stof, hvilket genererer den ekstra tyngdekraft, der holder galakserne sammen.
Mørkt stof i universet
I universets meget større skala er det imidlertid ikke tilstrækkeligt at studere individuelle galakser. En anden tilgang er nødvendig. Til det skal astronomer anvende en teknik, der kaldes gravitationslinse.
Gravitationslinse blev forudsagt i 1916 af Albert Einstein og blev først observeret af Sir Arthur Eddington i 1919. Einsteins teori om generel relativitet fortæller, at tyngdekraften, som vi oplever, virkelig skyldes rumtidens krumning. Da lys bevæger sig i en lige linje gennem rummet, vil rumtiden være buet, ser det ud til en observatør, som om lyset kører en buet sti gennem rummet.
Dette fænomen kan udnyttes til at studere mængden og fordelingen af mørkt stof i universet. Forskere, der kigger på en fjern galakse (kaldet linsegalaksen), som har en anden galakse endnu længere væk bag den (kaldet den observerede galakse), kan se et forvrænget billede af den observerede galakse. Forvrængningen er relateret til massen af linsegalaksen. Fordi massen af linsegalaksen er en kombination af synligt stof og mørkt stof, giver gravitationslinsering forskere mulighed for direkte at observere eksistensen og fordelingen af mørkt stof på skalaer, der er så store som selve universet. Denne teknik fungerer også, når en stor klynge af forgrundsgalakser forvrænger billederne af klynger af endnu fjernere galakser, hvilket er teknikken, der anvendes til denne måling.
Klumpet eller ej?
DES-samarbejdet offentliggjorde for nylig en analyse ved hjælp af nøjagtigt denne teknik. Holdet kiggede på en prøve på 26 millioner galakser i fire forskellige afstande fra Jorden. De tættere galakser linsede dem, der var længere væk. Ved at bruge denne teknik og nøje se på forvrængningen af billederne af alle galakserne, var de i stand til at kortlægge fordelingen af usynlige mørke stoffer, og hvordan det bevægede sig og klumpede sig gennem de sidste 7 milliarder år, eller halve levetiden for univers.
Som forventet fandt de, at universets mørke stof var "klumpet". Der var dog en overraskelse - det var lidt mindre klumpet, end tidligere målinger havde forudsagt.
En af disse modstridende målinger kommer fra det resterende radiosignal fra den tidligste tid efter Big Bang, kaldet den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB). CMB indeholder inden i distributionen af energi i kosmos, da den var 380.000 år gammel. I 1998 annoncerede Cosmic Background Explorer (COBE) -samarbejdet, at CMB ikke var perfekt ensartet, men snarere havde varme og kolde pletter, der adskiller sig fra uniform med 1 del i 100.000. Wilkinson-mikrobølge-anisotropiproben (WMAP) og Planck-satellitterne bekræftede og forfinede COBE-målingerne.
I løbet af de syv milliarder år, hvor CMB blev udsendt og tidsperioden, der blev undersøgt af DES, så de varmere regioner i universet dannelsen af kosmosstrukturen. Ikke-ensartet energifordeling fanget i CMB kombineret med den forstærkende tyngdekraft førte til, at nogle pletter i universet blev tættere og andre mindre. Resultatet er det univers, vi ser omkring os.
CMB forudsiger distributionen af mørk stof af en simpel grund: Distributionen af stof i vores univers i nutiden afhænger af dens distribution i fortiden. Når alt kommer til alt, hvis der var en klump af stof i fortiden, ville den materie tiltrække nærliggende stof, og klumpen ville vokse. Tilsvarende, hvis vi skulle projicere i den fjerne fremtid, ville fordelingen af materien i dag påvirke morgendagens af samme grund.
Så forskere har brugt målinger af CMB 380.000 år efter Big Bang til at beregne, hvordan universet skal se ud 7 mia. År senere. Da de sammenlignede forudsigelserne med målingerne fra DES, fandt de, at DES-målingerne var lidt mindre klumpede end forudsigelserne.
Ufuldstændigt billede
Er det en big deal? Måske. Usikkerheden eller fejlen i de to målinger er stor nok til at det betyder, at de ikke er uenige på en statistisk signifikant måde. Hvad det simpelthen betyder, er, at ingen kan være sikre på, at de to målinger virkelig er uenige. Det kan være, at uoverensstemmelserne opstår tilfældigt som følge af statistiske udsving i dataene eller små instrumentelle effekter, der ikke blev taget i betragtning.
Selv undersøgelsens forfattere ville foreslå forsigtighed her. DES-målingerne er endnu ikke peer review. Papirerne blev sendt til offentliggørelse, og resultaterne blev præsenteret på konferencer, men faste konklusioner skulle vente, indtil dommerrapporterne kommer ind.
Så hvad er fremtiden? DES har en fem-årig mission, hvoraf fire års data er registreret. Det nyligt annoncerede resultat bruger kun det første års data. Nyere data analyseres stadig. Endvidere vil det fulde datasæt dække 5.000 kvadrat grader af himlen, mens det nylige resultat kun dækker 1.500 kvadrat grader og kigger kun halvdelen af vejen tilbage i tiden. Således er historien helt klart ikke komplet. En analyse af det fulde datasæt forventes først i 2020.
Alligevel kan de data, der er taget i dag, allerede betyde, at der er en mulig spænding i vores forståelse af universets udvikling. Og selvom denne spænding forsvinder, når flere data analyseres, fortsætter DES-samarbejdet med at foretage andre målinger. Husk, at bogstaverne "DE" i navnet står for mørk energi. Denne gruppe vil efterhånden være i stand til at fortælle os noget om opførsel af mørk energi i fortiden og hvad vi kan forvente at se i fremtiden. Denne nylige måling er bare starten på, hvad der forventes at være en videnskabeligt fascinerende tid.
Denne version af artiklen blev oprindeligt offentliggjort på Live Science.
