Naukowcy ujawniają rozkład ciemnej materii wokół galaktyk sprzed 12 miliardów lat – dalej w czasie niż kiedykolwiek wcześniej

Współpraca prowadzona przez naukowców z Uniwersytetu Nagoya w Japonii zbadała naturę ciemnej materii otaczającej galaktyki widziane tak, jak wyglądały 12 miliardów lat temu, miliardy lat dalej w czasie niż kiedykolwiek wcześniej. Ich odkrycia, opublikowane w Physical Review Letters, oferują kuszącą możliwość, że podstawowe zasady kosmologii mogą się różnić przy badaniu wczesnej historii naszego wszechświata.

Zobaczenie czegoś, co wydarzyło się tak dawno temu jest trudne. Ze względu na skończoną prędkość światła, widzimy odległe galaktyki nie takie, jakie są dzisiaj, ale jakie były miliardy lat temu. Jednak jeszcze większym wyzwaniem jest obserwacja ciemnej materii, która nie emituje światła.

Rozważmy odległą galaktykę źródłową, nawet dalej niż galaktyka, której ciemną materię chcemy badać. Grawitacyjne przyciąganie galaktyki pierwszego planu, w tym jej ciemnej materii, zniekształca otaczającą ją przestrzeń i czas, jak przewiduje ogólna teoria względności Einsteina. Gdy światło z galaktyki źródłowej przemieszcza się przez to zniekształcenie, wygina się, zmieniając pozorny kształt galaktyki. Im większa ilość ciemnej materii, tym większe zniekształcenie. Dlatego naukowcy mogą zmierzyć ilość ciemnej materii wokół galaktyki pierwszego planu („soczewki” galaktyki) na podstawie zniekształcenia.

Jednak powyżej pewnego punktu naukowcy napotykają problem. Galaktyki w najgłębszych zakątkach wszechświata są niewiarygodnie słabe. W rezultacie, im dalej od Ziemi patrzymy, tym mniej efektywna staje się ta technika. Zniekształcenie soczewkowania jest subtelne i trudne do wykrycia w większości przypadków, więc do wykrycia sygnału potrzeba wielu galaktyk tła.

Większość poprzednich badań utknęła w tych samych granicach. Nie mogąc wykryć wystarczająco odległych galaktyk źródłowych, by zmierzyć zniekształcenie, mogły analizować jedynie ciemną materię sprzed nie więcej niż 8-10 miliardów lat. Te ograniczenia pozostawiały otwartą kwestię rozkładu ciemnej materii między tym czasem a 13,7 miliarda lat temu, czyli w okolicach początku naszego Wszechświata.

Aby pokonać te wyzwania i zaobserwować ciemną materię z najdalszych zakątków wszechświata, zespół badawczy kierowany przez Hironao Miyatake z Uniwersytetu Nagoya, we współpracy z Uniwersytetem Tokijskim, Narodowym Obserwatorium Astronomicznym Japonii i Uniwersytetem Princeton, wykorzystał inne źródło światła tła – mikrofale uwalniane z samego Wielkiego Wybuchu.

Najpierw, wykorzystując dane z obserwacji Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), zespół zidentyfikował za pomocą światła widzialnego 1,5 miliona galaktyk soczewkowych, wybranych tak, by były widoczne 12 miliardów lat temu.

Następnie, aby pokonać brak światła galaktyk znajdujących się jeszcze dalej, zastosowali mikrofale z kosmicznego tła mikrofalowego (CMB), pozostałości promieniowania po Wielkim Wybuchu. Używając mikrofal obserwowanych przez należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej satelitę Planck, zespół zmierzył, jak ciemna materia wokół galaktyk soczewkowych zniekształciła mikrofale.

„Patrzeć na ciemną materię wokół odległych galaktyk?” zapytał profesor Masami Ouchi z Uniwersytetu Tokijskiego, który wykonał wiele obserwacji. „To był szalony pomysł. Nikt nie zdawał sobie sprawy, że możemy to zrobić. Ale po tym jak wygłosiłem wykład o dużej próbce odległych galaktyk, Hironao przyszedł do mnie i powiedział, że może być możliwe spojrzenie na ciemną materię wokół tych galaktyk za pomocą CMB.”

„Większość badaczy używa galaktyk źródłowych do pomiaru rozkładu ciemnej materii od teraźniejszości do ośmiu miliardów lat temu” – dodał adiunkt Yuichi Harikane z Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo. „Mogliśmy jednak spojrzeć dalej w przeszłość, ponieważ użyliśmy bardziej odległego CMB do pomiaru ciemnej materii. Po raz pierwszy mierzyliśmy ciemną materię z niemal najwcześniejszych chwil istnienia wszechświata.”

Po wstępnej analizie badacze szybko zorientowali się, że mają wystarczająco dużą próbkę, aby wykryć rozkład ciemnej materii. Łącząc dużą próbkę odległych galaktyk i zniekształcenia soczewkowania w CMB, wykryli ciemną materię jeszcze dalej w czasie, od 12 miliardów lat temu. To tylko 1,7 miliarda lat po początku wszechświata, a więc te galaktyki są widoczne wkrótce po ich pierwszym uformowaniu.

„Byłem szczęśliwy, że otworzyliśmy nowe okno do tamtej epoki” – powiedział Miyatake. „12 miliardów lat temu sprawy wyglądały zupełnie inaczej. Widać więcej galaktyk będących w procesie formowania niż obecnie; zaczynają się też tworzyć pierwsze gromady galaktyk.” Gromady galaktyk składają się z 100-1000 galaktyk związanych grawitacyjnie z dużą ilością ciemnej materii.

„Ten wynik daje bardzo spójny obraz galaktyk i ich ewolucji, a także ciemnej materii w galaktykach i wokół nich oraz tego, jak ten obraz ewoluuje w czasie” – powiedziała Neta Bahcall, Eugene Higgins Professor of Astronomy, profesor nauk astrofizycznych i dyrektor studiów licencjackich na Uniwersytecie Princeton.

Jedno z najbardziej ekscytujących odkryć badaczy dotyczyło zbitki ciemnej materii. Zgodnie ze standardową teorią kosmologii, modelem Lambda-CDM, subtelne fluktuacje w CMB tworzą baseny gęsto upakowanej materii, przyciągając otaczającą materię poprzez grawitację. Tworzy to niejednorodne kępy, które tworzą gwiazdy i galaktyki w tych gęstych regionach. Wyniki grupy sugerują, że ich pomiar gęstości zbitek był niższy niż przewidywany przez model Lambda-CDM.

Miyatake jest entuzjastycznie nastawiony do możliwości. „Nasze odkrycie jest wciąż niepewne,” powiedział. „Ale jeśli jest prawdziwe, sugerowałoby, że cały model jest wadliwy w miarę cofania się w czasie. Jest to ekscytujące, ponieważ jeśli wynik trzyma się po zmniejszeniu niepewności, może to sugerować ulepszenie modelu, które może zapewnić wgląd w naturę samej ciemnej materii.”

„W tym momencie będziemy starali się uzyskać lepsze dane, aby zobaczyć, czy model Lambda-CDM jest rzeczywiście w stanie wyjaśnić obserwacje, które mamy we wszechświecie” – powiedział Andrés Plazas Malagón, associate research scientist na Uniwersytecie Princeton. „A konsekwencją może być to, że musimy zrewidować założenia, które weszły do tego modelu”.

„Jedną z mocnych stron patrzenia na wszechświat za pomocą badań na dużą skalę, takich jak te użyte w tych badaniach, jest to, że można badać wszystko, co widać na uzyskanych obrazach, od pobliskich asteroid w naszym układzie słonecznym do najbardziej odległych galaktyk z wczesnego wszechświata. Można użyć tych samych danych do zbadania wielu nowych pytań” – powiedział Michael Strauss, profesor i przewodniczący Wydziału Nauk Astrofizycznych na Uniwersytecie Princeton.

W tym badaniu wykorzystano dane dostępne z istniejących teleskopów, w tym Planck i Subaru. Grupa przejrzała tylko jedną trzecią danych z Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. Następnym krokiem będzie analiza całego zestawu danych, co powinno pozwolić na dokładniejszy pomiar rozkładu ciemnej materii. W przyszłości zespół spodziewa się użyć zaawansowanego zestawu danych, takiego jak Vera C. Rubin Observatory’s Legacy Survey of Space and Time (LSST), aby zbadać więcej najwcześniejszych części przestrzeni. „LSST pozwoli nam obserwować połowę nieba” – powiedział Harikane. „Nie widzę żadnego powodu, dla którego nie moglibyśmy zobaczyć w następnej kolejności rozkładu ciemnej materii sprzed 13 miliardów lat”.

Źródło: Nagoya University