Strålningsresterna från Big Bang, förvrängd av mörk materia för 12 miljarder år sedan. Kredit:Reiko Matsushita
Ett samarbete som leds av forskare vid Nagoya University i Japan har undersökt naturen hos mörk materia som omger galaxer sett som de var för 12 miljarder år sedan, miljarder år längre tillbaka i tiden än någonsin tidigare. Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters , erbjuder den lockande möjligheten att kosmologins grundläggande regler kan skilja sig åt när man undersöker vårt universums tidiga historia.
Att se något som hände för så länge sedan är svårt. På grund av ljusets ändliga hastighet framstår inte avlägsna galaxer som de är idag, utan som de var för miljarder år sedan. Men ännu mer utmanande är att observera mörk materia, som inte avger ljus.
Betrakta en avlägsen källgalax, ännu längre bort än galaxen vars mörka materia man vill undersöka. Förgrundsgalaxens gravitationskraft, inklusive dess mörka materia, förvränger det omgivande rummet och tiden, som förutspåtts av Einsteins allmänna relativitetsteori. När ljuset från källgalaxen färdas genom denna förvrängning, böjs det, vilket förändrar galaxens skenbara form. Ju större mängd mörk materia, desto större förvrängning. Således kan forskare mäta mängden mörk materia runt förgrundsgalaxen ("linsgalaxen") från distorsionen.
Men bortom en viss punkt stöter forskare på ett problem. Galaxerna i universums djupaste delar är otroligt svaga. Som ett resultat, ju längre bort från jorden vi tittar, desto mindre effektiv blir denna teknik. Linsförvrängningen är subtil och svår att upptäcka i de flesta fall, så många bakgrundsgalaxer är nödvändiga för att upptäcka signalen.
De flesta tidigare studier har hållit sig fast vid samma gränser. De kunde inte upptäcka tillräckligt med avlägsna källgalaxer för att mäta distorsionen, de kunde bara analysera mörk materia från inte mer än 8–10 miljarder år sedan. Dessa begränsningar lämnade öppen frågan om fördelningen av mörk materia mellan denna tid och för 13,7 miljarder år sedan, runt början av vårt universum.
För att övervinna dessa utmaningar och observera mörk materia från universums yttersta delar använde en forskargrupp ledd av Hironao Miyatake från Nagoya University, i samarbete med University of Tokyo, National Astronomical Observatory of Japan och Princeton University, en annan källa av bakgrundsljus, mikrovågorna som frigjordes från själva Big Bang.
Först, med hjälp av data från observationerna från Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), identifierade teamet 1,5 miljoner linsgalaxer med hjälp av synligt ljus, utvalda för att ses för 12 miljarder år sedan.
Därefter, för att övervinna bristen på galaxljus ännu längre bort, använde de mikrovågor från den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), strålningsresterna från Big Bang. Med hjälp av mikrovågor som observerats av Europeiska rymdorganisationens Planck-satellit, mätte teamet hur den mörka materien runt linsgalaxerna förvrängde mikrovågorna.
"Titta på mörk materia runt avlägsna galaxer?" frågade professor Masami Ouchi vid University of Tokyo, som gjorde många av observationerna. "Det var en galen idé. Ingen insåg att vi kunde göra det här. Men efter att jag höll ett föredrag om ett stort avlägset galaxprov kom Hironao till mig och sa att det kan vara möjligt att titta på mörk materia runt dessa galaxer med CMB. "
"De flesta forskare använder källgalaxer för att mäta distributionen av mörk materia från nutid till för åtta miljarder år sedan", tillade biträdande professor Yuichi Harikane vid Institutet för kosmisk strålforskning, University of Tokyo. "Men vi kunde se längre tillbaka i det förflutna eftersom vi använde den mer avlägsna CMB för att mäta mörk materia. För första gången mätte vi mörk materia från nästan universums tidigaste ögonblick."
Efter en preliminär analys insåg forskarna snart att de hade ett tillräckligt stort prov för att upptäcka fördelningen av mörk materia. Genom att kombinera det stora avlägsna galaxprovet och linsförvrängningarna i CMB upptäckte de mörk materia ännu längre tillbaka i tiden, från 12 miljarder år sedan. Detta är bara 1,7 miljarder år efter universums början, och därför ses dessa galaxer strax efter att de först bildades.
"Jag var glad att vi öppnade ett nytt fönster in i den eran," sa Miyatake. "För 12 miljarder år sedan var saker och ting väldigt annorlunda. Du ser fler galaxer som håller på att bildas än för närvarande; de första galaxhoparna börjar också bildas." Galaxhopar omfattar 100–1000 galaxer bundna av gravitationen med stora mängder mörk materia.
"Detta resultat ger en mycket konsekvent bild av galaxer och deras utveckling, såväl som den mörka materien i och runt galaxer, och hur denna bild utvecklas med tiden", säger Neta Bahcall, Eugene Higgins professor i astronomi, professor i astrofysiska vetenskaper, och direktör för grundstudier vid Princeton University.
Ett av forskarnas mest spännande fynd var relaterat till mörk materias klumpighet. Enligt standardteorin för kosmologi, Lambda-CDM-modellen, bildar subtila fluktuationer i CMB pooler av tätt packad materia genom att attrahera omgivande materia genom gravitationen. Detta skapar inhomogena klumpar som bildar stjärnor och galaxer i dessa täta områden. Gruppens resultat tyder på att deras klumpighetsmätning var lägre än vad Lambda-CDM-modellen förutspådde.
Miyatake är entusiastisk över möjligheterna. "Vårt fynd är fortfarande osäkert", sa han. "Men om det är sant, skulle det tyda på att hela modellen är felaktig när man går längre tillbaka i tiden. Det här är spännande för om resultatet håller efter att osäkerheterna minskat kan det tyda på en förbättring av modellen som kan ge insikter in i den mörka materiens natur."
"Vid denna tidpunkt kommer vi att försöka få bättre data för att se om Lambda-CDM-modellen faktiskt kan förklara de observationer som vi har i universum", säger Andrés Plazas Malagón, associerad forskare vid Princeton University. "Och konsekvensen kan bli att vi måste se över de antaganden som ingick i den här modellen."
"En av styrkorna med att titta på universum med hjälp av storskaliga undersökningar, som de som används i denna forskning, är att du kan studera allt du ser i de resulterande bilderna, från närliggande asteroider i vårt solsystem till de mest avlägsna galaxer från det tidiga universum. Du kan använda samma data för att utforska många nya frågor", säger Michael Strauss, professor och ordförande för institutionen för astrofysiska vetenskaper vid Princeton University.
Denna studie använde data från befintliga teleskop, inklusive Planck och Subaru. Gruppen har bara granskat en tredjedel av Subaru Hyper Suprime-Cam Survey-data. Nästa steg blir att analysera hela datamängden, vilket bör möjliggöra en mer exakt mätning av mörk materiafördelning. I framtiden räknar teamet med att använda en avancerad datamängd som Vera C. Rubin Observatorys Legacy Survey of Space and Time (LSST) för att utforska fler av de tidigaste delarna av rymden. "LSST kommer att tillåta oss att observera halva himlen," sa Harikane. "Jag ser ingen anledning till att vi inte kunde se distributionen av mörk materia för 13 miljarder år sedan nästa." + Utforska vidare
