Astrofysiker har en ganska exakt förståelse av hur universum åldras:Det är slutsatsen av nya resultat från Dark Energy Survey (DES), ett stort internationellt vetenskapligt samarbete, inklusive forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, som satte modeller för kosmisk strukturbildning och evolution på det mest exakta testet hittills.

Undersökningens forskare analyserade ljus från 26 miljoner galaxer för att studera hur strukturer i universum har förändrats under de senaste 7 miljarder åren – hälften av universums ålder. Uppgifterna togs med DECam, en 570-megapixelkamera kopplad till det 4-meters Victor M. Blanco-teleskopet vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile.

Tidigare, det mest exakta testet av kosmologiska modeller kom från mätningar med Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit av vad som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - ett svagt sken på himlen avgav 380, 000 år efter Big Bang.

"Medan Planck tittade på strukturen i det mycket tidiga universum, DES har mätt strukturer som utvecklats mycket senare, sa Daniel Gruen, en NASA Einstein postdoktor vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), ett gemensamt institut för Stanford University och SLAC. "Tillväxten av dessa strukturer från universums tidiga åldrar fram till idag överensstämmer med vad våra modeller förutspår, visar att vi kan beskriva kosmisk evolution mycket bra."

Gruen kommer att presentera resultaten, som är baserade på det första året med data från den 5 år långa undersökningen, idag vid 2017 års Division of Particles and Fields möte i American Physical Society vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory.

KIPAC-fakultetsmedlem Risa Wechsler, en grundare av DES, sa, "För första gången, precisionen hos viktiga kosmologiska parametrar som kommer ut från en galaxundersökning är jämförbar med de som härrör från mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Detta gör att vi kan testa våra modeller oberoende och kombinera båda metoderna för att erhålla parametervärden med oöverträffad precision."

Största kartan över massdistribution

Standardmodellen för kosmologi, kallas Lambda-CDM, innehåller två nyckelingredienser. Kall mörk materia (CDM), en osynlig form av materia som är fem gånger vanligare än vanlig materia, klumpar ihop sig och är kärnan i bildandet av strukturer som galaxer och galaxhopar. Lambda, den kosmologiska konstanten, beskriver universums accelererade expansion, drivs av en okänd kraft som kallas mörk energi.

Astrofysiker behöver exakta tester av modellen eftersom dess ingredienser inte är helt säkra. Mörk materia har aldrig direkt upptäckts. Mörk energi är ännu mer mystisk, och det är inte känt om det faktiskt är en konstant eller förändras över tid.

DES har nu lyckats genomföra ett sådant precisionstest. Forskarna använde det faktum att bilder av avlägsna galaxer blir något förvrängda av tyngdkraften hos galaxer i förgrunden - en effekt som kallas svag gravitationslinsning. Denna analys ledde till den största kartan som någonsin konstruerats för fördelningen av massa - både vanlig och mörk materia - i universum, samt dess utveckling över tiden.

"Inom ett felfält på mindre än 5 procent, de kombinerade Planck- och DES-resultaten överensstämmer med Lambda-CDM, " sa Wechsler. "Detta betyder också att än så länge, vi behöver inget annat än en konstant form av mörk energi för att beskriva universums expansionshistoria."

Viktiga bidrag från KIPAC

Förutom Gruen, som ledde arbetsgruppen för svag linsning, och Wechsler, vars grupp tillhandahöll realistiska simuleringar av undersökningen som var avgörande för att testa flera aspekter av den kosmologiska analysen, ett stort antal KIPAC-forskare, postdoktorer, doktorander och alumner har gjort avgörande bidrag till DES - från att bygga instrumentet till att utveckla teori och simuleringar och analysera data.

Postdoktor Elisabeth Krause, till exempel, leder DES-teorin och arbetsgruppen för kombinerade sonderingar. I den rollen, hon ledde ansvaret för att utveckla teoretiska modeller som matchar den experimentella precision som erhållits med DES-data. Det innebar att man skrev datorkoder som beräknar hur svag gravitationslins ska se ut för en given modell.

"Olika människor utvecklar lite olika koder som är avsedda att göra samma sak, " sa hon. "Jag hjälpte till att sammanföra kodutvecklare för att dubbelkontrollera deras resultat och se till att vi får så exakta teorikoder som möjligt."

En annan nyckel till skapandet av massfördelningskartan var att exakt bestämma avstånden till de observerade galaxerna - information som vanligtvis härrör från oberoende undersökningar som analyserar egenskaperna hos ljus som kommer från dessa objekt eller från exploderande stjärnor.

"Vi har visat att vi kan använda färgen på vissa röda galaxer - röd är den färg de skulle ha om du var precis framför dem - för att avgöra hur långt de är borta, " sa SLAC-personalforskaren Eli Rykoff, som hade en ledande roll i denna del av analysen. "Det visar sig att om vi kartlägger var dessa röda galaxer finns på himlen, vi kan använda dem för att kalibrera avstånden för linserna och bakgrundsgalaxerna som används i studien."

Mot ännu djupare kosmiska insikter

Inom en snar framtid, mer DES-data kommer att göra det möjligt för astrofysiker att testa sina kosmologiska modeller med ännu mer precision. Analysen av data som samlats in under de tre första åren av undersökningen kommer att påbörjas snart, och det femte året av observationer kommer också snart att vara igång.

Med ännu bättre data, forskarna sa, vi kanske tar reda på om den relativt enkla Lambda-CDM-modellen behöver modifieras.

"De metoder som utvecklats för DES och den erfarenhet som forskarna skaffar sig på vägen kommer också att gynna det naturliga flödet av experiment som ständigt utvecklas, " sa KIPAC-fakultetsmedlem David Burke, chef för SLAC:s DES-grupp.

Båda kommer att förbereda forskare för framtida undersökningar, inklusive de med Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Med sin 3,2-gigapixelkamera, som är under uppbyggnad på SLAC, astrofysiker kommer att kunna utforska djupet av vårt universum som aldrig förr.