Evrendeki ilk ışık, karanlık madde haritası oluşturmaya yardımcı olur

1960’larda gökbilimciler, her yönden görülebilen yaygın bir mikrodalga arka plan fark etmeye başladılar. Daha sonra Kozmik Mikrodalga Arka Planı (CMB) olarak bilinen bu kalıntı radyasyonun varlığı, tüm maddenin yaklaşık olarak genişlemeye başlayan sonsuz yoğunluk ve aşırı ısının tek bir noktasında yoğunlaştığını öne süren Büyük Patlama teorisini doğruladı. 13.8 milyar yıl önce.

Gökbilimciler kırmızıya kayma için CMB’yi ölçerek ve bunları yerel uzaklık ölçümleriyle karşılaştırarak (değişken yıldızlar ve süpernovalar kullanarak), evrenin genişleme hızını ölçmeye çalıştılar.

Aynı sıralarda bilim adamları, galaksilerin dönme eğrilerinin, önerilen görünür kütlelerinden çok daha yüksek olduğunu gözlemlediler. Bu, ya Einstein’ın Genel Görelilik Teorisinin yanlış olduğu ya da evrenin gizemli, görünmez bir kütle ile dolu olduğu anlamına geliyordu.

Atacama Kozmoloji Teleskobu (ACT) işbirliğinin üyeleri, yeni bir makale dizisinde, gökyüzünün dörtte birini kaplayan ve kozmosun derinliklerine uzanan yeni bir Karanlık Madde dağılımı haritası oluşturmak için SPK’dan gelen arka plan ışığını kullandı. Bu harita, Genel Göreliliği ve kütlenin uzay-zamanın eğriliğini nasıl değiştirdiği konusundaki tahminlerini doğruluyor.

ACT, ABD, Birleşik Krallık, Kanada, Fransa, Almanya, İtalya, Şili, İsviçre, Japonya, Güney Afrika ve NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden 160’tan fazla bilim insanından oluşan uluslararası bir konsorsiyumdur.

Amaçları, bugün CMB olarak görülebilen “Kozmik Şafak” sırasında (evren sadece 380.000 yaşındayken) ortaya çıkan ışığı izleyerek evreni çok erken tanımlayan parametrelerin gelişmiş ölçümlerini sağlamaktır. Astronomlar ve kozmologlar bunu yerel evrenin ölçümleriyle karşılaştırarak evrenin nasıl geliştiği hakkında daha fazla şey öğrenmeyi umuyorlar.

Baskın kozmolojik modele göre – Lambda Soğuk Karanlık Madde (LCDM) modeli – Karanlık Madde, evrendeki kütlenin %85’ini oluşturur. Ne yazık ki, normal (“parlak”) madde ile elektrozayıf veya güçlü nükleer kuvvetler aracılığıyla etkileşime girmez, yalnızca yerçekimi (temel kuvvetlerin en zayıfı) yoluyla etkileşir. Bu yanıltıcı ve “görünmez” kütlenin izini sürmek için ACT işbirliği, kuzey Şili’deki Llano de Chajnantor Gözlemevi’nde bulunan özel yapım altı metrelik (~ 20 fit) milimetre dalga teleskopu olan Atacama Kozmoloji Teleskobu’nu (ACT) kullanıyor. .

Yayınlanması planlanan üç yeni makalelerinde tanımladıkları gibi Astrofizik Dergisiekip, beş mevsim CMB sıcaklığı ve polarizasyon gözlemlerinden oluşan ACT’nin Veri Sürümü 6’dan (DR6) elde edilen verilere dayanıyordu. Bu ışık okumaları, esasen günümüz ile Büyük Patlama (yaklaşık 13,8 milyar yıl önce) arasındaki tüm konuyu aydınlatmak için kullanıldı. Princeton Üniversitesi’nde Henry DeWolf Smyth Fizik Profesörü ve ACT direktörü Suzanne Staggs şunları söyledi:

“Biraz silüet yapmaya benziyor, ancak siluette sadece siyah yerine, ışık sanki içinde çok fazla düğüm ve tümsek bulunan bir kumaş perdeden akıyormuş gibi dokuya ve karanlık madde yığınlarına sahipsiniz. Ünlü mavi ve sarı CMB görüntüsü, yaklaşık 13 milyar yıl önce, evrenin tek bir çağda nasıl olduğunun bir anlık görüntüsü ve şimdi bu bize o zamandan bu yana tüm çağlar hakkında bilgi veriyor.”

Burada kastedilen görüntü, Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası (WMAP) tarafından 2001 ve 2003 yılları arasında toplanan verilere dayanan ünlü tam gökyüzü görüntüsüdür. Bu görev (2010 yılına kadar yürürlükte kaldı) Kozmik Arka Plan Gezgini’nin önceki çalışması üzerine inşa edildi. (COBE), 1989’dan 1993’e kadar SPK hakkında veri toplamıştır.

Ardından, küçük sıcaklık dalgalanmalarını haritalamak için 2009’dan 2013’e kadar SPK’yı ölçen ESA’nın Planck uydusu geldi. Ortaya çıkan ve doğruluğu giderek artan haritalar, başlangıç ​​koşullarının ne olduğunu göstererek evrenin evrimi hakkında fikir verdi.

Bu son harita, %85’i Karanlık Madde olan maddenin yapısının o zamandan beri nasıl geliştiğini ölçmek için kullanarak bu araştırmayı bir adım öteye taşıdı. Araştırma ekibi, bu gizemli kütlenin varlığını ve dağılımını görselleştirmek için kütlesinin CMB ile Dünya arasındaki uzay-zaman eğriliğini nasıl etkilediğini inceledi. Bu, büyük kütle koleksiyonlarının (hem görünür hem de görünmez), bize ulaşmak için milyarlarca ışıkyılı (ve milyarlarca yıl) boyunca kat ettiği ışığın izlediği yolu nasıl değiştirdiğini etkili bir şekilde gösterdi.

Ekip, devasa karanlık madde yapılarının yerçekimsel çekiminin, tıpkı antika, yumrulu pencerelerin bizim içlerinden görebildiklerimizi büküp bozması gibi, CMB’yi 14 milyar yıllık yolculuğunda nasıl çarpıtabileceğini izledi. Ortaya çıkan harita, görünür maddeyi tutan ve galaksileri ve galaksi kümelerini çevreleyen ve birbirine bağlayan Karanlık Maddenin “iskelesini” ortaya çıkardı.

Bu, evrenin görüntüde açıkça görülebilen büyük ölçekli yapısına (genellikle “Kozmik Ağ” olarak anılır) yol açtı. Harita aynı zamanda, evrenimizdeki maddenin dağılımını ışık açısından değil, kütle açısından ölçerek alışılagelmişten de kopuyor.

Ortak yazar Blake Sherwin, 2013 Ph.D. Princeton mezunu ve Cambridge Üniversitesi’nde (ACT araştırma grubuna liderlik ettiği) bir kozmoloji profesörü:

“Gökyüzündeki görünmez karanlık madde dağılımının haritasını çıkardık ve bu tam da teorilerimizin öngördüğü gibi. Bu, evrenimizdeki yapının milyarlarca yıl boyunca, Büyük Patlama’dan hemen sonra nasıl oluştuğunun hikayesini anladığımıza dair çarpıcı bir kanıt.” bugün. Dikkat çekici bir şekilde, evrendeki kütlenin %80’i görünmez. Gökyüzündeki karanlık madde dağılımını en uzak mesafelere göre haritalandıran ACT mercekleme ölçümlerimiz, bu görünmez dünyayı net bir şekilde görmemizi sağlıyor.”

2016-2018 Princeton postdoc ve makalelerden birinin baş yazarı olan Princeton yardımcı doçent Mathew Madhavacheril, “Büyük Patlama’dan kalan ışık bozulmalarını kullanarak yeni bir kütle haritası yaptık” dedi. “İlginç bir şekilde, hem evrenin “yumrululuğunun” hem de 14 milyar yıllık evrimin ardından büyüme hızının, Einstein’ın teorisine dayalı standart kozmoloji modelimizden tam olarak beklediğiniz gibi olduğunu gösteren ölçümler sağlıyor. yerçekimi.”

Pennsylvania Üniversitesi’nde Reese Flower Astronomi Profesörü ve ACT’nin müdür yardımcısı Mark Devlin, 2000’lerin başında bu deneyin potansiyelini gören bir avuç araştırmacıdan biriydi. “2003 yılında bu deneyi önerdiğimizde, teleskopumuzdan çıkarılabilecek bilgilerin tam kapsamı hakkında hiçbir fikrimiz yoktu” dedi. “Bunu teorisyenlerin zekasına, teleskopumuzu daha hassas hale getirmek için yeni aletler yapan birçok kişiye ve ekibimizin bulduğu yeni analiz tekniklerine borçluyuz.”

Elde ettikleri sonuçlar, CMB ve yerel yıldızların kullanıldığı ışık ölçümlerinin farklı değerler ürettiği sözde “Kozmoloji Krizi” hakkında yeni bilgiler sağlayabilir. “Hubble Gerilimi” olarak da bilinen bu eşitsizlik, Karanlık Madde’nin yeterince “yumrulu” olmadığını ve standart kozmoloji modelinin (LCDM) yanlış olabileceğini gösteriyor. Ancak ACT ekibinin en son sonuçları, bu topakların boyutunu ve dağılımını kesin olarak değerlendirdi ve bunların LCDM modeliyle mükemmel bir şekilde tutarlı olduğunu belirledi. Ekibi son beş yıl içinde verileri toplayan dedektörleri geliştiren Staggs, yeni haritasının bu “krizi” bir fırsata çevirebileceğine inanıyor:

“SPK, evrenin ilkel durumuna ilişkin benzersiz ölçümleriyle zaten ünlüdür, bu nedenle sonraki evrimini anlatan bu mercek haritaları neredeyse bir zenginliktir. Artık evrenin ikinci, çok ilkel bir haritasına sahibiz. Bir ‘kriz’, bu farklı veri setlerini bir arada kullanmak için olağanüstü bir fırsatımız olduğunu düşünüyorum.Haritamız, Büyük Patlama’ya kadar uzanan tüm karanlık maddeyi içeriyor ve diğer haritalar yaklaşık 9 milyar yıl geriye bakıyor, bize bize çok daha yakın bir katman. Evrendeki yapıların büyümesi hakkında bilgi edinmek için ikisini karşılaştırabiliriz. Bence bu gerçekten ilginç olacak. İki yaklaşımın farklı ölçümler alması büyüleyici.”

ACT, Eylül 2022’de hizmet dışı bırakılmış olsa da (15 yıllık faaliyetin ardından), topladığı veriler hâlâ yeni araştırmalara ve atılımlara ilham veriyor. DR6’daki son gözlem setinin sonuçlarını sunan daha fazla makalenin yakında yayınlanması bekleniyor ve Simons Gözlemevi gelecekteki gözlemleri aynı görüşten yürütecek. Bunlar, 2024’te faaliyete geçmesi planlanan ve gökyüzünü ACT’den neredeyse on kat daha hızlı haritalayabilen yeni bir teleskop kullanılarak yapılacak. Belki de kozmosun başlangıcına kadar uzanan Karanlık Madde dağılımının haritasını çıkaran tüm gökyüzü araştırmalarını sabırsızlıkla bekleyebiliriz.

Üç makale şu adreste yayınlandı: arXiv ön baskı sunucusu.