De svaga linsundersökningarna som HSC föredrar ett något mindre klumpigt universum (vänster) än det som förutspåtts av Planck (höger). Bilderna visar den lilla men märkbara skillnaden som förväntas från stora datorsimuleringar. Kredit:Hyper Suprime-Cam Survey
I dag, en internationell grupp av forskare, inklusive Carnegie Mellon Universitys Rachel Mandelbaum, släppte den djupaste kartan över den tredimensionella fördelningen av materia i universum som någonsin gjorts och ökade precisionen av begränsningar för mörk energi med Hyper Suprime-Cam-undersökningen (HSC).
Dagens universum är en ganska klumpig plats. När universum har expanderat under de senaste 14 miljarder åren eller så, galaxer och mörk materia har i allt större utsträckning dragits samman av gravitationen, skapa ett klumpigt landskap med stora aggregat av materia åtskilda av tomrum där det finns lite eller ingen materia.
Tyngdkraften som drar samman materia påverkar också hur vi observerar astronomiska objekt. När ljus färdas från avlägsna galaxer mot jorden, gravitationskraften hos den andra materien i dess väg, inklusive mörk materia, böjer ljuset. Som ett resultat, bilderna av galaxer som teleskop ser är något förvrängda, ett fenomen som kallas svag gravitationslinsning. Inom dessa förvrängningar finns en stor mängd information som forskare kan bryta för att bättre förstå fördelningen av materia i universum, och det ger ledtrådar till den mörka energins natur.
HSC kartan, skapad från data som samlats in av Japans Subaru-teleskop på Hawaii, tillät forskare att mäta gravitationsförvrängningen i bilder av cirka 10 miljoner galaxer.
Vänster panel:Den 3-dimensionella kartan över universum av mörk materia som härleds från ett av de sex HSC-observationsområdena visas i bakgrunden med olika nyanser av blått (ljusare områden har mer mörk materia). Kartan härleddes från förvrängningarna av galaxernas former i HSC-data som indikeras av vita pinnar. Sticklängderna representerar mängden distorsion och vinkeln på stickan motsvarar distorsionens riktning. Höger panel:Mätningarna möjliggörs av ljuset från avlägsna galaxer som färdas genom universum och avleds av materia vid olika epoker i universum, innan de når Subaru-teleskopet. Kredit:HSC project/UTokyo
Subaru-teleskopet gjorde det möjligt för dem att se galaxerna längre tillbaka i tiden än i andra liknande undersökningar. Till exempel, Dark Energy Survey analyserar ett mycket större område av himlen med samma precisionsnivå som HSC, men undersöker bara det närliggande universum. HSC tar en smalare, men djupare syn, som gjorde det möjligt för forskare att se svagare galaxer och göra en skarpare karta över mörk materias fördelning.
Forskargruppen jämförde sin karta med de fluktuationer som förutspåtts av den europeiska rymdorganisationen Planck-satellitens observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen – strålning från universums tidigaste dagar. HSC-mätningarna var något lägre än, men fortfarande statistiskt överensstämmande med Plancks. Det faktum att HSC och andra undersökningar med svag lins alla hittar något lägre resultat än Planck väcker den lockande frågan om mörk energi verkligen beter sig som Einsteins kosmologiska konstant.
De kosmologiska begränsningarna för universums klumpighet idag (S8) förutspåddes med hjälp av observationer vid olika tidpunkter i universum. HSC-mätningen av universums klumpighet visas med den röda symbolen och är bland de längsta mätningarna med svag gravitationslins. Dessa bör jämföras med Planck-resultaten som erhållits från observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden i det mycket tidiga universum och andra samtida experiment med svag lins, KiDS och DES. Kredit:HSC project/UTokyo
"Vår karta ger oss en bättre bild av hur mycket mörk energi det finns och berättar lite mer om dess egenskaper och hur den får universums expansion att accelerera, ", sade Mandelbaum. "HSC är ett bra komplement till andra undersökningar. Att kombinera data mellan projekt kommer att vara ett kraftfullt verktyg när vi försöker avslöja mer och mer om naturen hos mörk materia och mörk energi."
Det är inte lätt att mäta förvrängningar som orsakas av svag gravitationslins. Effekten är ganska liten och förvrängningar i galaxformer kan också orsakas av atmosfären, teleskopet och detektorn. För att vara exakt, exakta resultat, forskare måste veta att de bara mäter effekter från svag lins.
Mandelbaum, docent i fysik och medlem av McWilliams Center for Cosmology vid Carnegie Mellon, är expert på att kontrollera dessa externa snedvridningar. Hon och hennes team skapade en detaljerad bildsimulering av HSC-undersökningsdata baserat på bilder från rymdteleskopet Hubble. Från dessa simuleringar, de kunde tillämpa korrigeringar på galaxformerna för att ta bort de formförvrängningar som orsakades av andra effekter än linsering.
De svaga linsundersökningarna som HSC föredrar ett lite mindre klumpigt universum än det som förutspåtts av Planck. Bilderna visar den lilla men märkbara skillnaden som förväntas från stora datorsimuleringar. Är denna skillnad en statistisk fluktuation? Astronomer över hela världen fortsätter att samla in mer och mer data för att svara på denna fråga. Kredit:UTokyo
Dessa resultat kommer från HSC-undersökningens första år med data. I alla, HSC-undersökningen kommer att samla in fem års data som kommer att ge ännu mer information om beteendet hos mörk energi och arbeta mot andra mål som att studera utvecklingen av galaxer och massiva galaxhopar över kosmisk tid, mäter tidsvarierande objekt som supernovor, och till och med studera vår egen Vintergatans galax.
Forskningen kommer att laddas upp till preprint-servern arxiv.org och kommer att skickas till publikationen av Astronomical Society of Japan.
