Ett forskargrupp med flera institut, inklusive National Astronomical Observatory of Japan och University of Tokyo, släppte en aldrig tidigare skådad bred och skarp karta över mörk materia baserad på de nyligen erhållna bilddata från Hyper Suprime-Cam på Subaru-teleskopet. Den mörka materiens fördelning uppskattas av den svaga gravitationella linstekniken (figur 1, Film). Teamet lokaliserade positionerna och linssignalerna för halor av mörk materia och fann indikationer på att antalet glorier kunde vara oförenligt med vad den enklaste kosmologiska modellen föreslår. Detta kan vara en ny ledtråd för att förstå varför universums expansion accelererar.

Mysteriet om det accelererade universum

På 1930 -talet, Edwin Hubble och hans kollegor upptäckte universums expansion. Detta var en stor överraskning för de flesta som trodde att universum förblev densamma under evigheten. En formel för materia och rymdtidens geometri krävdes för att matematiskt uttrycka universums expansion. Av en slump, Einstein hade redan utvecklat just en sådan formel. Modern kosmologi bygger på Einsteins teori om gravitation.

Man hade trott att expansionen avtar med tiden (blå och röda linjer i figur 2) eftersom universums innehåll (materia) lockar varandra. Men i slutet av 1990 -talet det konstaterades att expansionen har accelererat sedan ungefär 8 Giga år sedan. Detta var en annan stor överraskning som gav astronomerna som fann expansionen ett Nobelpris 2011. För att förklara accelerationen, vi måste överväga något nytt i universum som avvisar rymden.

Den enklaste upplösningen är att sätta tillbaka den kosmologiska konstanten i Einsteins ekvation. Den kosmologiska konstanten introducerades ursprungligen av Einstein för att förverkliga ett statiskt universum, men övergavs efter upptäckten av universums expansion. Den vanliga kosmologiska modellen (kallad LCDM) innehåller den kosmologiska konstanten. Expansionshistoriken med hjälp av LCDM visas med den gröna linjen i figur 2. LCDM stöds av många observationer, men frågan om vad som orsakar accelerationen kvarstår fortfarande. Detta är ett av de största problemen i modern kosmologi.

Bred och djup bildundersökning med Hyper Suprime-Cam

Teamet leder en storskalig bildundersökning med Hyper Suprime-Cam (HSC) för att undersöka mysteriet i det accelererande universum. Nyckeln här är att noggrant undersöka universums expansionshistoria.

I det tidiga universum, materia fördelades nästan men inte riktigt enhetligt. Det fanns små fluktuationer i densiteten som nu kan observeras genom temperaturfluktuationerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Dessa små materiella fluktuationer utvecklades under kosmisk tid på grund av den ömsesidiga gravitationella attraktionen av materia, och så småningom blir storskalestrukturen i dagens universum synlig. Det är känt att strukturens tillväxttakt starkt beror på hur universum expanderar. Till exempel, om expansionstakten är hög, det är svårt för materia att dra ihop sig och tillväxthastigheten undertrycks. Detta innebär att expansionshistoriken kan undersökas omvänt genom observation av tillväxttakten.

Det är viktigt att notera att tillväxthastigheten inte kan undersökas väl om vi bara observerar synlig materia (stjärnor och galaxer). Detta för att vi nu vet att nästan 80 % av ämnet är en osynlig substans som kallas mörk materia. Teamet använde tekniken för "svag gravitationslinsering." Bilderna på avlägsna galaxer förvrängs något av gravitationens fält som genereras av förgrundens mörka materiefördelning. Analys av den systematiska distorsionen gör att vi kan rekonstruera fördelningen av mörk materia i förgrunden.

Denna teknik är observationsmässigt mycket krävande eftersom distorsionen av varje galax i allmänhet är mycket subtil. Exakta formmätningar av svaga och uppenbarligen små galaxer krävs. Detta motiverade laget att utveckla Hyper Suprime-Cam. De har genomfört en omfattande fältundersökning med Hyper Suprime-Cam sedan mars 2014. Vid detta skrivande i februari 2018, 60 % av undersökningen har slutförts.

Oöverträffad bred och skarp karta över mörk materia

I denna utgåva, teamet presenterar kartan över mörk materia baserat på bilddata som togs från april 2016 (figur 1). Detta är bara 11 % av den planerade slutkartan, men det är redan oöverträffat brett. Det har aldrig funnits en så vass karta över mörk materia som täcker ett så stort område.

Bildobservationer görs genom fem olika färgfilter. Genom att kombinera dessa färgdata, det är möjligt att göra en grov uppskattning av avstånden till de svaga bakgrundsgalaxerna (kallad fotometrisk rödförskjutning). På samma gång, Linseringseffektiviteten blir mest framträdande när linsen är placerad direkt mellan den avlägsna galaxen och observatören. Med hjälp av den fotometriska rödförskjutningsinformationen, galaxer grupperas i rödskiftfack. Med hjälp av detta grupperade galaxprov, distribution av mörk materia rekonstrueras med hjälp av tomografiska metoder och därmed kan 3D-fördelningen erhållas. Figur 4 visar ett sådant exempel. Data för 30 kvadratgrader används för att rekonstruera rödskiftningsintervallet mellan 0,1 (~ 1,3 G ljusår) och 1,0 (~ 8 G ljusår). Vid rödskiftet 1,0, vinkelspannet motsvarar 1,0 G x 0,25 G ljusår. Denna 3D-karta för mörk materia är också ganska ny. Detta är första gången som ökningen av antalet halor av mörk materia över tid kan ses observationsmässigt.

Vad halo räkningen av mörk materia antyder och framtidsutsikter

Teamet räknade antalet gloria av mörk materia vars linsignal är över en viss tröskel. Detta är en av de enklaste mätningarna av tillväxthastigheten. Histogrammet (svart linje) i figur 5 visar den observerade linssignalstyrkan kontra antalet observerade glorier medan modellprognosen visas med den heldragna röda linjen. Modellen är baserad på standard LCDM -modell som använder observationen av kosmisk mikrovågsbakgrund som utsäde av fluktuationerna. Figuren tyder på att antalet räkningar för halogen av mörk materia är mindre än vad som förväntas av LCDM. Detta kan tyda på att det finns en brist i LCDM och att vi kanske måste överväga ett alternativ snarare än den enkla kosmologiska konstanten.

Den statistiska signifikansen är, dock, fortfarande begränsad som de stora felstaplarna (vertikal linje på histogrammet i figur 5) antyder. Det har inte funnits några avgörande bevis för att avvisa LCDM, men många astronomer är intresserade av att testa LCDM eftersom avvikelser kan vara en användbar sond för att låsa upp det accelererande universums mysterium. Ytterligare observation och analys behövs för att bekräfta avvikelsen med högre betydelse. Det finns några andra sonder för tillväxthastigheten och sådan analys pågår också (t.ex. vinkelkorrelation av galaxformer) i teamet för att kontrollera giltigheten av standard LCDM.

Dessa resultat publicerades den 1 januari, 2018 i HSC:s specialnummer av Publications of the Astronomical Society of Japan. Rapporten har titeln "Ett stort urval av skjuvvalda kluster från Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program S16A Wide field mass maps."