Przejdź do treści

Astrofizycy opisali 11 miliardów lat historii ekspansji Wszechświata

Mapa przeglądu SDSS

W ramach przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey (SDSS) opublikowano kompleksową analizę największej trójwymiarowej mapy Wszechświata, jaką kiedykolwiek stworzono, wypełniając tym samym najważniejsze luki w eksploracji jego historii.
 
Nowe wyniki zawdzięczamy projektowi SDSS eBOSS (extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), czyli przeglądowi tzw. oscylacji barionowych realizowanemu w ramach międzynarodowej współpracy ponad 100 astrofizyków. Podstawą dla tych przełomowych wyników są szczegółowe pomiary ponad dwóch milionów galaktyk i kwazarów, łącznie obejmujące 11 miliardów lat czasu kosmicznego. Były one możliwe dzięki dwudziestu latom systematycznych obserwacji, do których przyczynili się m. in. pracownicy  Instytutu Kosmologii i Grawitacji Uniwersytetu Portsmouth (ICG).

– Dzięki tym mapom moi koledzy i ja mogliśmy obserwować i badać, jak szybko Wszechświat się rozszerzał i jak szybko tworzyły się jego różne struktury – mówi Dr Julian Bautista, pracowniki naukowy w ICG i główny badacz eBOSS, odpowiedzialny za przetwarzanie obserwacji z teleskopu na czyste trójwymiarowe mapy Wszechświata do wykorzystania w ramach pracy zespołu. Bautista jest także głównym autorem jednej z publikacji opisujących najnowocześniejszy pomiar tempa ekspansji Wszechświata i szybkości wzrostu jego struktur w oparciu o próbkę tzw. czerwonych galaktyk.

Naukowcy wiedzą, jak wyglądał Wszechświat w swym okresie niemowlęcym – m.in. dzięki tysiącom ekspertów z całego świata, którzy zmierzyli względne ilości pierwiastków powstałych wkrótce po Wielkim Wybuchu, jak i tym, którzy badają kosmiczne tło mikrofalowe. Znają również jego niedawną historię z map galaktyk i pomiarów odległości, w tym tych pochodzących z poprzednich faz przeglądu SDSS. Jednak wciąż istnieje kłopotliwa luka w okolicy 11 miliardów lat. Jej wypełnienie może okazać się jednym z najbardziej znaczących postępów w kosmologii w ostatniej dekadzie.

Ostateczna mapa ma puste przestrzenie oraz włókna materii, definiujące strukturę Wszechświata mniej więcej od czasu, gdy miał on zaledwie około 300 000 lat. Na takiej mapie naukowcy mierzą teraz wzorce rozkładu galaktyk, uzyskując dzięki temu szereg kluczowych parametrów kosmologicznych Wszechświata z dokładnością do jednego procenta. Sygnały tych wzorców są pokazane we wstawkach na powyższej ilustracji. Kosmiczna historia ujawniona dzięki mapie mówi nam też o tym, że około sześć miliardów lat temu ekspansja Wszechświata zaczęła przyspieszać i od tamtej pory postępuje coraz szybciej.

– Uważamy, że to przyspieszenie jest spowodowane niewidzialnym składnikiem Wszechświata, który nazywamy ciemną energią, ale nie rozumiemy dobrze, jak ona się właściwie zachowuje. Mogłaby to być po prostu stała kosmologiczna, jak sugerował Einstein, ale jest to niezwykle trudne do pogodzenia ze współczesnymi teoriami fizyki cząstek elementarnych – opowiada Dr Bautista – Przed erą eBOSS wyglądało to tak, jakbyśmy mieli dość wybrakowany film o Wszechświecie. Mieliśmy kilka obrazów jego początków i mogliśmy zobaczyć, jak kończy się ta historia, ale teraz, dzięki danym z eBOSS, możemy wreszcie zobaczyć większość samej opowieści o Kosmosie, wraz z ciemną energią, która jest tu jednym z głównych aktorów.

Połączenie obserwacji przeglądu eBOSS z badaniami Wszechświata w jego początkach ujawnia pewne rysy na znanym już obrazie Wszechświata. W szczególności wynik pomiaru obecnego tempa rozszerzania się Wszechświata (Stała Hubble'a) dokonany przez zespół eBOSS jest o około 10% niższy niż wartość uzyskana z odległości do pobliskich galaktyk. Wysoka precyzja danych eBOSS wskazuje na to, że jest bardzo mało prawdopodobne, aby ta niezgodność była dziełem przypadku. Nie ma też jak na razie powszechnie akceptowanego wyjaśnienia tej rozbieżności, ale jedną z ekscytujących możliwości jest to, że jakaś nieznana wcześniej forma materii lub energii z wczesnego Wszechświata mogła pozostawić pewien ślad w jego kosmicznej historii.

Zespół eBOSS opublikował łącznie wyniki w formie ponad 20 artykułów naukowych. Prace te na ponad 500 stronach opisują analizy zespołu dotyczące najnowszych danych. W ramach współpracy poszczególne grupy z różnych uczelni na całym świecie skupiały się na różnych aspektach analizy. Aby stworzyć część mapy sprzed sześciu miliardów lat, zespół wykorzystał duże, czerwone galaktyki. Następnie oparto się na znacznie młodszych, niebieskich galaktykach. Wreszcie, aby zmapować Wszechświat sprzed 11 i więcej miliardów lat, wykorzystano kwazary. Każda z tych próbek danych wymaga wcześniej dokładnej analizy w celu usunięcia artefaktów obserwacyjnych i instrumentalnych oraz ujawnienia rzeczywistych wzorców Wszechświata.

Przeglądy eBOSS i bardziej ogólnie cały SDSS pozostawiają nam nierozwiązaną zagadkę ciemnej energii i niezgodności tempa ekspansji lokalnego i wczesnego Wszechświata - jako dziedzictwo dla przyszłych naukowców i projektów.

 

eBOSS

Na ilustracji: Wpływ, jaki mapy eBOSS i SDSS wywarły na nasze zrozumienie obecnego tempa ekspansji i krzywizny Wszechświata w ciągu ostatnich 20 lat prac zespołu. Szary region przedstawia naszą wiedzę sprzed 10 lat. Niebieski obszar przedstawia najlepsze z nowych pomiarów, który łączą w sobie SDSS, eBOSS i inne programy obserwacyjne. Źródło: Eva-Maria Mueller (Uniwersytet Oksfordzki) / SDSS


Czytaj więcej:

 

Źródło: University of Portsmouth

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu powyżej: Mapa przeglądu SDSS ukazująca obserwowalny obszar Kosmosu, w tym badane teraz obiekty "barwne". Źródło: Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Ohio State University) i SDSS