Vi har nu en standardmodell för kosmologi, den nuvarande versionen av Big Bang-teorin. Även om det har visat sig vara mycket framgångsrikt är konsekvenserna häpnadsväckande. Vi känner bara till 5% av universums innehåll, vilket är normal materia. De återstående 95 % består av två exotiska enheter som aldrig har producerats i laboratoriet och vars fysiska karaktär fortfarande är okänd.
Dessa är mörk materia, som står för 25% av innehållet i kosmos, och mörk energi, som bidrar med 70%. I standardmodellen för kosmologi är mörk energi energin i det tomma rymden, och dess täthet förblir konstant under hela universums utveckling.
Enligt denna teori fortplantade sig ljudvågor i det mycket tidiga universum. I de tidiga stadierna hade universum en enorm temperatur och densitet. Trycket i denna initiala gas försökte trycka isär partiklarna som bildade den, medan gravitationen försökte dra ihop dem, och konkurrensen mellan de två krafterna skapade ljudvågor som fortplantade sig från universums början fram till cirka 400 000 år efter Big Bang .
Vid den tiden slutade strålningen och materien att interagera, och vågorna var frusna, vilket lämnade ett avtryck på materiens rumsliga fördelning. Detta avtryck observeras som en liten preferensackumulering av galaxer åtskilda av ett karakteristiskt avstånd, kallad Baryon Acoustic Oscillations (BAO)-skalan av kosmologer, och motsvarar det avstånd som ljudvågorna tillryggalagt under dessa 400 000 år.
Dark Energy Survey (DES) har precis mätt BAO-skalan när universum var halva sin nuvarande ålder med en noggrannhet på 2%, den mest exakta bestämningen hittills vid en så tidig epok, och första gången en mätning endast avbildande är konkurrenskraftig med stora spektroskopikampanjer speciellt utformade för att upptäcka denna signal.
Avståndet ljudvågen färdas i det tidiga universum beror på välkända fysiska processer, så det kan bestämmas med stor precision och sätta en måttstock för universum. Det är vad kosmologer kallar en standardlinjal. I det här fallet har den en längd på cirka 500 miljoner ljusår.
Genom att observera vinkeln som denna standardlinjal spänner över himlen på olika avstånd (eller, med andra ord, vid olika epoker i universum), kan man bestämma historien om den kosmiska expansionen och, med den, de fysiska egenskaperna hos mörk energi . I synnerhet kan det fastställas genom att analysera den kosmiska mikrovågsbakgrunden, den strålning som frigjordes när atomer bildades, 400 000 år efter Big Bang som ger oss en ögonblicksbild av det mycket tidiga universum, som publicerades av Planck-samarbetet 2018.
Det kan också bestämmas i det sena universum genom att studera BAO-skalan i galaxkartläggningar som DES har gjort. Att analysera konsekvensen av båda bestämningarna är ett av de mest krävande testerna av standardmodellen för kosmologi.
"Det är en källa till stolthet att se hur DES efter nästan tjugo års kontinuerliga ansträngningar producerar vetenskapliga resultat av högsta relevans inom kosmologi", säger Eusebio Sánchez, chef för kosmologigruppen vid CIEMAT. "Det är en utmärkt belöning för den ansträngning som investerats i projektet."
"Vad vi observerade är att galaxer har en större tendens att separeras från varandra med en vinkel på 2,90 grader på himlen jämfört med andra avstånd", kommenterar Santiago Ávila, postdoktor vid IFAE och en av analysens koordinatorer. "Det är signalen! Vågen kan ses tydligt i data", tillägger han och hänvisar till den första figuren. "Det är en subtil preferens, men statistiskt relevant", säger han, "och vi kan bestämma vågmönstret med en noggrannhet på 2%. Som referens upptar fullmånen en halv grad i diameter på himlen. Så om vi kunde för att se galaxerna med blotta ögat skulle BAO-avståndet se ut som sex fullmånar."
För att mäta BAO-skalan har DES använt 16 miljoner galaxer, fördelade över en åttondel av himlen, som har valts ut speciellt för att avgöra hur långt bort de är med tillräcklig precision.
"Det är viktigt att välja ett urval av galaxer som gör att vi kan mäta BAO-skalan så exakt som möjligt", säger Juan Mena, som doktorerade. vid CIEMAT om denna studie och är nu postdoktor vid Laboratory of Subatomic Physics and Cosmology i Grenoble (Frankrike). "Vårt prov är optimerat för att ha en bra kompromiss mellan ett större antal galaxer och den säkerhet med vilken vi kan bestämma deras avstånd."
Kosmologiska avstånd är så stora att det tar miljarder år för ljus att nå oss, vilket gör att vi kan observera det kosmiska förflutna. Provet av galaxer som används i denna studie öppnar ett fönster in i universum för sju miljarder år sedan, något mindre än hälften av dess nuvarande ålder.
"En av de mest komplicerade uppgifterna i processen är att rengöra galaxprovet från observationsföroreningar:skilja mellan galaxer och stjärnor eller mildra atmosfärens effekter på bilderna", säger Martín Rodríguez Monroy, postdoktor vid IFT i Madrid .
Ett intressant fynd av denna studie är att storleken som dessa vågor upptar på himlen är 4 % större än vad som förutspåtts från mätningar gjorda av ESA:s Planck-satellit i det tidiga universum med hjälp av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning. Med tanke på provet av galaxer och osäkerheterna i analysen har denna avvikelse en 5% chans att bara vara en statistisk fluktuation. Om det inte var det skulle vi kunna titta på en av de första ledtrådarna om att den nuvarande teorin om kosmologi inte är helt komplett, och den fysiska naturen hos de mörka komponenterna är ännu mer exotisk än man tidigare trott.
"Till exempel kanske mörk energi inte är vakuumets energi. Dess densitet kan förändras med universums expansion, eller till och med rymden kan vara något krökt", säger Anna Porredon, en spansk forskare vid Ruhr University Bochum (RUB) i Tyskland. Den här forskaren, en stipendiat i Europeiska unionens Marie Sklodowska-Curie Actions program, har varit en av samordnarna för denna analys.
BAO-skalan har mätts av andra kosmologiska projekt före DES vid olika åldrar av universum, främst Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) och dess förlängning (eBOSS), som utformades för detta ändamål. DES-mätningen är dock den mest exakta vid en så tidig ålder av universum, med hälften så stor osäkerhet som eBOSS vid den tiden. Den betydande ökningen av precision har gjort det möjligt att avslöja den möjliga diskrepansen i BAO-skalan med avseende på standardmodellen för kosmologi.
"För att följa denna ledning är nästa avgörande steg att kombinera denna information med andra tekniker som utforskats av DES för att förstå naturen av mörk energi", kommenterar Hugo Camacho, en postdoktor vid Brookhaven National Laboratory (USA), tidigare vid Institute of Teoretisk fysik vid São Paulo State University i Brasilien (IFT-UNESP) och medlem av Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "Dessutom banar DES också vägen för en ny era av upptäckter inom kosmologi, som kommer att följas av framtida experiment med ännu mer exakta mätningar."
Som namnet antyder är DES ett stort kosmologiskt projekt speciellt utformat för att studera egenskaperna hos mörk energi. Det är ett internationellt samarbete mellan mer än 400 forskare från sju länder med sitt huvudkontor vid amerikanska DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory, nära Chicago. Projektet är utformat för att använda fyra ömsesidigt kompletterande metoder:kosmologiska avstånd med supernovor, antalet galaxhopar, den rumsliga fördelningen av galaxer och den svaga gravitationslinseffekten.
Dessutom kan dessa metoder kombineras för att få högre statistisk kraft och bättre kontroll av observationerna, som förväntas vara konsekventa. Kombinationen av gravitationslinseffekten med den rumsliga fördelningen av galaxer är särskilt relevant. Dessa analyser testar den kosmologiska modellen på ett mycket krävande sätt. Resultat som använder hälften av DES-data har redan publicerats med stort bifall, och de slutliga mätningarna, med hjälp av hela datamängden för mer än 150 miljoner galaxer, förväntas publiceras senare i år.
"DES tillåter oss att för första gången förstå om den accelererande expansionen av universum, som började för 6 miljarder år sedan, är förenlig med vår nuvarande modell för universums ursprung", kommenterar Martin Crocce, som samordnar denna senaste analys från ICE.
För att använda alla dessa tekniker byggde DES 570 Megapixel Dark Energy Camera (DECam), en av de största och mest känsliga kamerorna i världen. Den är installerad på Víctor M. Blanco-teleskopet, med en spegel med en diameter på 4 m, vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, som drivs av US NSF:s NOIRLab.
DES har kartlagt en åttondel av det himmelska valvet till ett aldrig tidigare skådat djup. Det tog 4-färgsbilder mellan 2013 och 2019 och är för närvarande i slutfasen av den vetenskapliga analysen av dessa bilder. Spanska institutioner har varit en del av projektet sedan starten 2005 och, förutom att ha samarbetat framträdande i design, tillverkning, testning och installation av DECam och datainsamling, har de hittills ett viktigt ansvar inom DES vetenskapliga ledning.
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
