Is Dark Matter Minder 'Bubbel' Dan Voorspeld?

{h1}

Een nieuw nachthemelonderzoek van verre melkwegstelsels suggereert dat donkere materie minder "klonterig" is dan eerder werd gedacht.

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab van het Amerikaanse ministerie van energie, de grootste onderzoeksinstelling voor Large Hadron Collider in het land. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, inclusief zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014) Je kunt hem volgen Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expertvoices: Op-Ed & Insights.

Zolang we gegevens hebben bijgehouden, heeft de mensheid zich verwonderd over de nachtelijke hemel. We hebben naar de hemelen gekeken om de wil van de goden te bepalen en ons af te vragen wat de betekenis van dit alles is. De slechts 5000 sterren die we met het blote oog kunnen zien, zijn al duizenden jaren lang de metgezellen van de mensheid.

Moderne astronomische faciliteiten hebben ons laten zien dat het universum niet uit slechts duizenden sterren bestaat - het bestaat uit honderden miljarden sterren in onze melkweg alleen, met biljoenen sterrenstelsels. Observatoria hebben ons geleerd over de geboorte en de evolutie van het universum. En op 3 augustus maakte een nieuwe faciliteit zijn eerste inhoudelijke aankondiging en voegde hij toe aan ons begrip van de kosmos. Het stelt ons in staat om het onzichtbare te zien, en het toonde aan dat de verdeling van materie in het universum enigszins verschilde van de verwachtingen.

The Dark Energy Survey (DES) is een samenwerking van ongeveer 400 wetenschappers die zijn begonnen aan een vijf jaar durende missie om verre melkwegstelsels te bestuderen om vragen over de geschiedenis van het universum te beantwoorden. Het maakt gebruik van de Dark Energy Camera (DEC) bevestigd aan de Victor M. Blanco 4-meter telescoop op het Cerro Tololo Inter-American Observatory in de Chileense Andes. DEC is geassembleerd in de VS in Fermilab nabij Batavia, Illinois, en is een 570-megapixelcamera die in staat is om sterrenstelsels zo ver weg te fotograferen dat hun licht een miljoenste is zo helder als de zwakste zichtbare sterren.

Donkere energie en donkere materie

DES jaagt op donkere energie, wat een voorgesteld energieveld in het universum is dat een afstotelijke vorm van zwaartekracht is. Terwijl de zwaartekracht een onweerstaanbare aantrekkingskracht uitoefent, duwt de donkere energie het universum om zich in een steeds toenemend tempo uit te breiden. Het effect werd voor het eerst waargenomen in 1998 en we hebben nog steeds veel vragen over de aard ervan.

Door de locatie en afstand van 300 miljoen sterrenstelsels in de zuidelijke nachtelijke hemel te meten, zal het onderzoek echter belangrijke uitspraken kunnen doen over een ander astronomisch mysterie, donkere materie genoemd. Van donkere materie wordt gedacht dat ze vijf keer meer voorkomt in het universum dan gewone materie. Toch heeft het geen interactie met licht, radiogolven of enige vorm van elektromagnetische energie. En het lijkt niet samen te vallen om grote lichamen zoals planeten en sterren te vormen.

Kaart van donkere materie gemaakt van gravitatielensmetingen van 26 miljoen sterrenstelsels in de Dark Energy Survey.

Kaart van donkere materie gemaakt van gravitatielensmetingen van 26 miljoen sterrenstelsels in de Dark Energy Survey.

Credit: Chihway Chang van het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de University of Chicago en de DES-samenwerking

Er is geen manier om de donkere materie (vandaar de naam) direct te zien. De effecten ervan kunnen echter indirect worden gezien door te analyseren hoe snel sterrenstelsels roteren. Als je de rotatiesnelheden berekent die worden ondersteund door de zichtbare massa van de sterrenstelsels, zul je ontdekken dat ze sneller roteren dan ze zouden moeten. Met alle rechten zouden deze sterrenstelsels uit elkaar moeten worden gescheurd. Na tientallen jaren van onderzoek hebben astronomen geconcludeerd dat elk sterrenstelsel donkere materie bevat, die de extra zwaartekracht genereert die de sterrenstelsels bij elkaar houdt. [6 weird feiten over zwaartekracht]

Donkere materie in het universum

Op de veel grotere schaal van het universum is het bestuderen van individuele sterrenstelsels echter niet voldoende. Er is een andere aanpak nodig. Daarvoor moeten astronomen een techniek gebruiken die gravitatielensing wordt genoemd.

Zwaartekrachtlensing werd in 1916 voorspeld door Albert Einstein en werd voor het eerst waargenomen door Sir Arthur Eddington in 1919. Einstein's theorie van algemene relativiteitstheorie zegt dat de zwaartekracht die we ervaren echt wordt veroorzaakt door de kromming van ruimte-tijd. Omdat licht zich in een rechte lijn door de ruimte voortbeweegt, zal als ruimte-tijd gekromd is, het naar een waarnemer kijken alsof het licht een gebogen pad door de ruimte passeert. [8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien]

Dit fenomeen kan worden gebruikt om de hoeveelheid en verdeling van donkere materie in het universum te bestuderen. Wetenschappers die in een verre melkweg kijken (de lensmelkweg genoemd), die nog een andere melkweg erachter heeft achter zich (de geobserveerde melkweg genoemd), kunnen een vertekend beeld van de waargenomen melkweg zien. De vervorming is gerelateerd aan de massa van het lensstelsel. Omdat de massa van het lensstelsel een combinatie is van zichtbare materie en donkere materie, laten zwaartekrachtlensers wetenschappers toe om het bestaan ​​en de verspreiding van donkere materie op schalen zo groot als het universum zelf te observeren. Deze techniek werkt ook wanneer een groot cluster van voorgrondmelkwegen de beelden van clusters van nog verder verwijderde sterrenstelsels vervormt, wat de techniek is die voor deze meting wordt gebruikt.

Bubbel of niet?

De DES-samenwerking heeft onlangs een analyse vrijgegeven met precies deze techniek. Het team bekeek een monster van 26 miljoen sterrenstelsels op vier verschillende afstanden van de aarde. De nauwere sterrenstelsels lensden degenen die verder weg waren. Door deze techniek te gebruiken en zorgvuldig naar de vervorming van de beelden van alle sterrenstelsels te kijken, konden ze de verdeling van onzichtbare donkere materie in kaart brengen en hoe deze zich de afgelopen 7 miljard jaar, of de helft van de levensduur van de melkweg, bewoog en klonterde. universum.

Zoals verwacht, ontdekten ze dat de donkere materie van het universum "klonterig" was. Er was echter een verrassing - het was iets minder klonterig dan eerdere metingen hadden voorspeld.

Een van deze tegenstrijdige metingen komt van het overblijvende radiosignaal van de vroegste tijd na de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De CMB bevat de verdeling van energie in de kosmos toen deze 380.000 jaar oud was. In 1998 kondigde de samenwerking Cosmic Background Explorer (COBE) aan dat de CMB niet perfect uniform was, maar eerder hete en koude plekken had die van het uniform verschilden met 1 deel op 100.000. De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en Planck satellieten bevestigden en verfijnden de COBE-metingen.

Gedurende de 7 miljard jaar tussen het moment waarop de CMB werd uitgestoten en de door DES bestudeerde tijdsperiode, zaaiden die heterste regio's van het universum de vorming van de structuur van de kosmos. Niet-uniforme energieverdeling vastgelegd in de CMB, in combinatie met de versterkende zwaartekracht, zorgde ervoor dat sommige plekken in het universum dichter werden en andere minder. Het resultaat is het universum dat we om ons heen zien.

De CMB voorspelt de distributie van donkere materie om een ​​eenvoudige reden: de verdeling van materie in ons universum in het heden hangt af van de distributie in het verleden. Immers, als er in het verleden een klomp materie was, zou die materie materie in de buurt aantrekken en de klomp zou groeien. Evenzo, als we in de verre toekomst zouden projecteren, zou de verdeling van de materie vandaag de dag om dezelfde reden van invloed zijn op morgen.

Wetenschappers hebben dus 380.000 jaar na de oerknal metingen van de CMB gebruikt om te berekenen hoe het universum er 7 miljard jaar later zou uitzien. Toen ze de voorspellingen vergeleken met de metingen van DES, ontdekten ze dat de DES-metingen iets minder klonterig waren dan de voorspellingen.

Onvolledige foto

Is dat een grote deal? Kan zijn. De onzekerheid of fout in de twee metingen is groot genoeg om te zeggen dat ze op een statistisch significante manier niet oneens zijn. Wat dat eenvoudigweg betekent, is dat niemand er zeker van kan zijn dat de twee metingen het echt oneens zijn. Het kan zijn dat de verschillen toevallen door statistische schommelingen in de gegevens of door kleine instrumentele effecten die niet werden overwogen.

Zelfs de auteurs van het onderzoek zouden hier voorzichtigheid willen suggereren. De DES-metingen zijn nog niet door vakgenoten beoordeeld. De papers werden ter publicatie aangeboden en de resultaten werden gepresenteerd op conferenties, maar harde conclusies moeten wachten tot de referentenrapporten binnenkomen.

Dus, wat is de toekomst? DES heeft een missie van vijf jaar, waarvan vier jaar gegevens zijn vastgelegd. Het onlangs aangekondigde resultaat maakt alleen gebruik van de gegevens van het eerste jaar. Meer recente gegevens worden nog steeds geanalyseerd. Verder dekt de volledige gegevensverzameling 5.000 vierkante graden van de hemel, terwijl het recente resultaat slechts 1.500 vierkante graden beslaat en slechts de helft van de tijd terug in de tijd is. Het verhaal is dus duidelijk niet compleet. Een analyse van de volledige dataset zal pas in 2020 worden verwacht.

Maar de vandaag genomen gegevens zouden al kunnen betekenen dat er een mogelijke spanning bestaat in ons begrip van de evolutie van het universum. En zelfs als die spanning verdwijnt naarmate er meer gegevens worden geanalyseerd, blijft de DES-samenwerking andere metingen doen. Vergeet niet dat de letters "DE" in de naam staan ​​voor donkere energie. Deze groep zal ons uiteindelijk iets kunnen vertellen over het gedrag van donkere energie in het verleden en wat we kunnen verwachten in de toekomst te zien. Deze recente meting is nog maar het begin van wat naar verwachting een wetenschappelijk fascinerende tijd zal zijn.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever.

Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Why does the universe exist? | Jim Holt.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com