Przejdź do treści

Wszechświat bardziej jednorodny niż sądzono - nowe wyniki z przeglądu KiDS

Mapa z przeglądu nieba KiDS

Dzisiaj opublikowano nowe mapy opracowane na podstawie danych z przeglądu nieba Kilo-Degree Survey (KiDS). Wyniki pokazują, że Wszechświat jest o prawie 10 procent bardziej jednorodny niż wynika z przewidywań standardowego modelu kosmologicznego. W pracach udział brał polski astronom dr Maciej Bilicki z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie.

KiDS, czyli Kilo-Degree Survey, to przegląd nieba korzystający z kamery OmegaCAM na VLT Survey Telescope (VST) w Obserwatorium Paranal w Chile (należącym do Europejskiego Obserwatorium Południowego). Celem tego dużego przeglądu optycznego na niebie południowym jest próba odpowiedzi na nurtujące zagadki związane z kosmologią i formowaniem się galaktyk. W ramach KiDS wykonana została mapa nieba w czterech szerokopasmowych filtrach (u, g, r, i).

Najnowsze wyniki przedstawione są w pięciu artykułach, z których trzy ukazały się 31 lipca. Dotyczą one fazy projektu oznaczonej jako KiDS-1000, czyli mapy obejmującej 1000 stopni kwadratowych. Odpowiada to 5% nieba dostępnego do obserwacji kosmologicznych. Analiza uwzględnia 31 milionów galaktyk, z których najdalsze są położone w odległości 10 miliardów lat świetlnych.

W ramach przeglądu KiDS naukowcy obserwują galaktyki, aby opracować mapy rozkładu materii we Wszechświecie. Posiłkują się przy tym zjawiskiem słabego soczewkowania grawitacyjnego. Polega ono na tym, że światło od odległych galaktyk jest nieznacznie zaburzane przez pola grawitacyjne pochodzące od dużych skupisk materii, takich jak gromady galaktyk. Można na tej podstawie wyciągnąć wnioski o gromadzeniu się materii w największych skalach kosmologicznych. Zarówno zwykłej materii, jak i ciemnej materii.

 

Image
Teleskop VST (widok od góry)

2,6-metrowy VLT Survey Telescope (VST) - widok od góry. Źródło: ESO/G. Lombardi (glphoto.it).

 

Rozbieżności z modelem standardowym

Na skutek oddziaływań grawitacyjnych, wraz z upływem czasu materia gromadzi się w skupiska - Wszechświat staje się coraz mniej jednorodny. Przeciwstawia się temu rozszerzanie się Wszechświata, spowalniając powstawanie skupisk materii. Tutaj również istotne są prawa grawitacji, więc ich dobre zbadanie ma kluczowe znaczenie dla sprawdzenia poprawności standardowego modelu kosmologicznego, nazywanego Λ-CDM (Lambda-Cold Dark Matter, czyli Lambda-zimna ciemna materia). Model ten jest przyjmowany za obowiązujący, gdyż zgadza się z różnymi, niezależnymi pomiarami.

Model ten dość dokładnie opisuje, jak powinien zmieniać się rozkład zagęszczeń materii w trakcie ewolucji Wszechświata. Najnowsze wyniki przeglądu KiDS wskazują jednak na pewną rozbieżność: Wszechświat jest niemal o 10 procent bardziej jednorodny, niż przewiduje to model standardowy.

"Rozbieżność, którą obserwujemy, dotyczy pomiaru 'stopnia zagęszczenia materii' w największych skalach. Wielkość tę mierzy się niezależnie z kosmologicznego słabego soczewkowania grawitacyjnego, jak i bardziej pośrednio dzięki precyzyjnym pomiarom własności mikrofalowego promieniowania tła"  tłumaczy dr Maciej Bilicki z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, który bierze udział w badaniach projektu KiDS.

"Od kilku już lat widzimy, że te dwie metody nie dają zgodnych wartości - w szczególności pomiar z KiDS odbiega od tego, co dostarczył satelita Planck. Sytuacja jest podobna jak w przypadku stałej Hubble'a, gdzie również pomiary 'bezpośrednie' odbiegają od wyników Plancka, choć tam ta niezgodność jest znacznie większa, niż dla omawianego tu stopnia jednorodności Wszechświata. W obu przypadkach metody bezpośrednie są coraz dokładniejsze, tj. ich błędy pomiarowe sukcesywnie się zmniejszają. Dlatego też te niezgodności stają się coraz bardziej intrygujące. Uważamy, że nasze pomiary są prowadzone prawidłowo, więc może problem leży w nieprawidłowej ich interpretacji - może nasz model kosmologiczny należy zmodyfikować? Nie znamy na razie odpowiedzi na to pytanie. Wiemy natomiast, że taka modyfikacja byłaby niezmiernie trudna, gdyż multum niezależnych pomiarów od wielu lat potwierdza ten model"  wyjaśnia astronom.

Czy zatem wyniki ogłoszone przez zespół KiDS mogą być błędne? Jest jedna szansa na tysiąc, że niezgodność może wynikać z tego, że naukowcy obserwują jakiś nietypowy fragment Wszechświata. Potrzeba więcej danych, aby uzyskać całkowitą pewność.

 

Image
Pola przeglądy KiDS nad Obserwatorium Paranal

Mapa z przeglądu KiDS, rzutowana na niebo, pokazująca „zmarszczki” w rozkładzie materii w dalekim Wszechświecie, zobrazowane dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu. Najmniejsze widoczne plamy odpowiadają rozmiarowi około 30 milionów lat świetlnych. Na pierwszym planie widać Obserwatorium Paranal, gdzie znajduje się VLT Survey Telescope. Źródło: B. Giblin, K. Kuijken i zespół KiDS. Panorama na pierwszym planie: ESO/Y.Beletsky CC BY 4.0.

 

Badania z polskim udziałem

W ciągu najbliższych dwóch lat opublikowane zostaną końcowe mapy z projektu KiDS, które obejmą o 30% więcej powierzchni niż aktualnie dostępna mapa. Aktualnie badacze skupiają się na specyficznych rodzajach galaktyk, a wyniki mają ukazać się jeszcze w tym roku. Głównymi autorami tych publikacji będą polscy astronomowie: dr Maciej Bilicki (Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie), mgr Szymon Nakoneczny (Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Warszawie) oraz prof. Agnieszka Pollo ((Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Warszawie).

Dr Maciej Bilicki w zespole KiDS bierze udział w przygotowywaniu danych, które potem są używane do analiz kosmologicznych i astrofizycznych. Polak uczestniczy też w tych analizach i interpretacji uzyskanych wyników. Na przykład był jedną z osób opracowujących "surowe" dane z kamery OmegaCAM z teleskopu VST, które były potrzebne do pomiarów efektów soczewkowania grawitacyjnego.

"Takie przygotowanie danych jest bardzo czasochłonne i pracochłonne. Obecne 1000 stopni kwadratowych danych zaczęliśmy opracowywać już ponad 3 lata temu. Część obróbki wymagała korzystania z dużych klastrów obliczeniowych oraz koordynacji pracy wielu osób"  mówi dr Bilicki.

Polski astronom wskazuje, iż oprócz tego, wraz ze współpracownikami przygotowują dla zespołu katalogi "wyższego poziomu": do już obrobionych danych stosowane są techniki komputerowe takie jak uczenie maszynowe, by opracowywać nowe zbiory galaktyk i kwazarów, a także mierzyć ich przybliżone odległości (szacować ich tzw. przesunięcia ku czerwieni). Te katalogi dla obecnego wydania przeglądu KiDS są już ukończone, aktualnie redagowane są opisujące je publikacje, zaś zespół już korzysta z nich do nowych badań.

Obecnie prowadzone są jeszcze dwa inne projekty, które mają podobny cel, jak KiDS. W jednym pracują głównie astronomowie amerykańscy - Dark Energy Survey (DES), a w drugim japońscy - Hyper-Suprime Cam Subaru Strategic Program (HSC SSP). W roku 2022 zacznie pracować teleskop w Obserwatorium Very Rubin w Chile, który będzie kilkadziesiąt razy silniejszy niż VLT Survey Telescope. W przygotowaniach do tego nowego przeglądu nieba biorą udział Polacy. Oprócz tego planowane jest wysłanie w kosmos misji Euclid - Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) zapowiada jej start na 2022 roku.

 

Webinar o wynikach KiDS-1000

Oto nagranie webinaru z 30.07.2020 r., na którym omówiono wyniki z czwartej publikacji danych z Kilo-Degree Surveys (KiDS-1000).

 

Więcej informacji:

 

Opracowanie: Krzysztof Czart

Źródło: CFT PAN / KiDS

 

Na zdjęciu widocznym na samej górze artykułu:

Zbliżenie fragmentu mapy KiDS, pokazujące wycinek Wszechświata o rozmiarach około 1,5 na 1 miliard lat świetlnych. Na tej ilustracji kolory odpowiadają różnej gęstości materii: żółty oznacza dużą gęstość, zaś fioletowy – małą. Szary kwadracik pokazuje rozmiar pojedynczego „zdjęcia” w przeglądzie KiDS, w porównaniu z Księżycem w pełni przy zachowaniu skali na niebie. Cała mapa przeglądu KiDS składa się z ponad 1000 takich „zdjęć”. Źródło: B. Giblin, K. Kuijken i zespół KiDS.