Don Lincoln er seniorforsker ved U.S. Department of Energys Fermilab, landets største forskningsinstitusjon Large Hadron Collider. Han skriver også om vitenskap for publikum, inkludert hans nylige "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blows Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham påFacebook. Lincoln bidro med denne artikkelen til Live ScienceEkspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Så lenge vi har holdt oversikt, har menneskeheten undret seg over nattehimmelen. Vi har sett på himmelen for å bestemme gudenes vilje og undre oss over betydningen av det hele. Bare 5000 stjerner vi kan se med det blotte øye har vært menneskehetens følgesvenner i årtusener.
Moderne astronomiske fasiliteter har vist oss at universet ikke består av bare tusenvis av stjerner - det består av hundrevis av milliarder av stjerner i galaksen vår alene, med billioner av galakser. Observatorier har lært oss om universets fødsel og utvikling. Og den 3. august ga et nytt anlegg sin første materielle kunngjøring og la til vår forståelse av kosmos. Den lar oss se det usynlige, og det viste at fordelingen av materien i universet skiller seg litt fra forventningene.
The Dark Energy Survey (DES) er et samarbeid med rundt 400 forskere som har begitt seg ut på et fem år langt oppdrag for å studere fjerne galakser for å svare på spørsmål om universets historie. Den bruker Dark Energy Camera (DEC) festet til Victor M. Blanco 4-meter teleskop ved Cerro Tololo interamerikanske observatorium i de chilenske Andesfjellene. DEC ble samlet i USA i Fermilab nær Batavia, Illinois, og er et 570 megapikselkamera som kan avbilde galakser så langt borte at lyset deres er en millionedel så lyst som de dimmeste synlige stjernene.
Mørk energi og mørk materie
DES jakter på mørk energi, som er et foreslått energifelt i universet som er en frastøtende form for tyngdekraft. Mens tyngdekraften utøver en uimotståelig attraksjon, presser mørk energi universet til å ekspandere i stadig større grad. Effekten ble først observert i 1998, og vi har fortsatt mange spørsmål om dens natur.
Ved å måle plasseringen og avstanden til 300 millioner galakser på den sørlige nattehimmelen, vil undersøkelsen imidlertid kunne komme med viktige uttalelser om et annet astronomisk mysterium, kalt mørk materie. Mørk materie antas å være fem ganger mer utbredt i universet enn vanlig materie. Likevel samhandler det ikke med lys, radiobølger eller noen form for elektromagnetisk energi. Og det ser ikke ut til at det samles å danne store kropper som planeter og stjerner.
Det er ingen måte å se mørk materie direkte på (derav navnet). Imidlertid kan effektene sees indirekte ved å analysere hvor raskt galakser roterer. Hvis du beregner rotasjonshastighetene som støttes av galaksenes synlige masse, vil du oppdage at de roterer raskere enn de burde. Etter alle rettigheter, bør disse galaksene rives fra hverandre. Etter flere tiår med forskning har astronomer konkludert med at hver galakse inneholder mørk materie, som genererer den ekstra tyngdekraften som holder galaksene sammen.
Mørk materie i universet
I universets mye større skala er det imidlertid ikke tilstrekkelig å studere individuelle galakser. En annen tilnærming er nødvendig. For det må astronomer bruke en teknikk som kalles gravitasjonslinsing.
Gravitasjonslinsering ble spådd i 1916 av Albert Einstein og ble først observert av Sir Arthur Eddington i 1919. Einsteins teori om generell relativitet sier at tyngdekraften vi opplever virkelig er forårsaket av romtidens krumning. Siden lys beveger seg i en rett linje gjennom verdensrommet, hvis rom-tid er buet, vil det se ut for en observatør som om lys reiser en buet bane gjennom verdensrommet.
Dette fenomenet kan utnyttes for å studere mengden og fordelingen av mørk materie i universet. Forskere som kikker på en fjern galakse (kalt linsegalaksen), som har en annen galakse enda lenger bak seg (kalt den observerte galaksen), kan se et forvrengt bilde av den observerte galaksen. Forvrengningen er relatert til massen til linsegalaksen. Fordi massen av linsegalaksen er en kombinasjon av synlig materiale og mørk materie, lar gravitasjonslinser forskere direkte observere eksistensen og fordelingen av mørk materie på så store skalaer som selve universet. Denne teknikken fungerer også når en stor klynge av forgrunnen galakser forvrenger bildene av klynger av enda fjernere galakser, som er teknikken som brukes for denne målingen.
Klumpete eller ikke?
DES-samarbeidet ga nylig ut en analyse ved bruk av nøyaktig denne teknikken. Teamet så på et utvalg av 26 millioner galakser på fire forskjellige avstander fra Jorden. De nærmere galaksene linset de som var lenger borte. Ved å bruke denne teknikken og se nøye på forvrengningen av bildene av alle galaksene, klarte de å kartlegge fordelingen av usynlig mørk materie og hvordan det beveget seg og klumpet seg over de siste 7 milliarder årene, eller halve levetiden til univers.
Som forventet fant de ut at universets mørke materie var "klumpet". Det var imidlertid en overraskelse - det var litt mindre klumpete enn tidligere målinger hadde spådd.
En av disse motstridende målingene kommer fra det gjenværende radiosignalet fra tidligste tid etter Big Bang, kalt den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB). CMB inneholder i den fordeling av energi i kosmos når den var 380 000 år gammel. I 1998 kunngjorde Cosmic Background Explorer (COBE) samarbeidet at CMB ikke var perfekt enhetlig, men heller hadde varme og kalde flekker som skilte seg fra uniform med 1 del i 100 000. Wilkinson Mikrobølgeovn Anisotropy Probe (WMAP) og Planck-satellittene bekreftet og foredlet COBE-målingene.
I løpet av de syv milliarder årene mellom CMB ble sendt ut og tidsperioden som ble studert av DES, frøset de varmere regionene i universet strukturen til kosmos. Ikke-enhetlig energifordeling fanget i CMB, kombinert med den forsterkende tyngdekraften, førte til at noen flekker i universet ble tettere og andre mindre. Resultatet er universet vi ser rundt oss.
CMB forutsier fordelingen av mørk materie av en enkel grunn: Distribusjonen av materien i vårt univers i samtiden avhenger av dens distribusjon i fortiden. Tross alt, hvis det var en klump med materie i det siste, ville den materien tiltrekke seg nærliggende materie og klumpen ville vokse. Tilsvarende, hvis vi skulle projisere inn i den fjerne fremtiden, ville fordelingen av materien i dag påvirke morgendagens av samme grunn.
Så forskere har brukt målinger av CMB 380 000 år etter Big Bang for å beregne hvordan universet skal se ut 7 milliarder år senere. Når de sammenlignet prediksjonene med målingene fra DES, fant de ut at DES-målingene var litt mindre klumpete enn spådommene.
Ufullstendig bilde
Er det en stor sak? Kan være. Usikkerheten eller feilen i de to målingene er stor nok til at det betyr at de ikke er uenige på en statistisk signifikant måte. Det det ganske enkelt betyr er at ingen kan være sikre på at de to målingene virkelig er uenige. Det kan være slik at avvikene oppstår tilfeldig av statistiske svingninger i dataene eller små instrumentelle effekter som ikke ble vurdert.
Til og med studiens forfattere vil foreslå forsiktighet her. DES-målingene er foreløpig ikke evaluert av fagfeller. Papirene ble sendt inn for publisering og resultatene ble presentert på konferanser, men faste konklusjoner bør vente til dommerrapportene kommer inn.
Så hva er fremtiden? DES har et femårig oppdrag, hvorav fire år med data er registrert. Det nylig annonserte resultatet bruker bare det første års data. Nyere data analyseres fortsatt. Videre vil hele datasettet dekke 5000 kvadratgrader av himmelen, mens det nylige resultatet bare dekker 1500 kvadratgrader og kikker bare halvparten av veien tilbake i tid. Dermed er historien tydeligvis ikke komplett. En analyse av hele datasettet vil ikke være forventet før kanskje 2020.
Likevel kan dataene som er tatt i dag allerede bety at det er en mulig spenning i vår forståelse av universets utvikling. Og selv om spenningen forsvinner etter hvert som flere data analyseres, fortsetter DES-samarbeidet å gjøre andre målinger. Husk at bokstavene "DE" i navnet står for mørk energi. Denne gruppen vil til slutt kunne fortelle oss noe om atferden til mørk energi i fortiden og hva vi kan forvente å se i fremtiden. Denne nylige måling er bare begynnelsen på det som forventes å være en vitenskapelig fascinerende tid.
Denne versjonen av artikkelen ble opprinnelig publisert på Live Science.
