Дон Линкълн е старши учен в американския департамент по енергетика във Фермилаб, най-голямата изследователска институция за големи адронни коли в страната. Той също така пише за науката за обществеността, включително и скорошната си „Големият адронов колайдер: Изключителната история за Хигс Босън и други неща, които ще взривят ума ви"(Johns Hopkins University Press, 2014). Можете да го последвате нататъкFacebook, Линкълн допринесе тази статия за Live Science'sГласове на експерти: Op-Ed & Insights.
Докато поддържаме записи, човечеството се е удивило на нощното небе. Разгледахме небето, за да определим волята на боговете и да се чудим на смисъла на всичко това. Само 5 000 звезди, които можем да видим с невъоръжено око, са спътници на човечеството от хилядолетия.
Съвременните астрономически съоръжения ни показаха, че Вселената не се състои само от хиляди звезди - тя се състои от стотици милиарди звезди само в нашата галактика, с трилиони галактики. Обсерваториите ни научиха за раждането и еволюцията на Вселената. И на 3 август ново съоръжение направи първото си съществено съобщение и допълни разбирането ни за Космоса. Тя ни позволява да видим незавидното и показа, че разпределението на материята във Вселената се различава малко от очакванията.
Проучването на тъмната енергия (DES) е сътрудничество на около 400 учени, които са започнали петгодишна мисия да изучават далечни галактики, за да отговарят на въпроси за историята на Вселената. Използва камерата на тъмната енергия (DEC), прикрепена към 4-метровия телескоп Victor M. Blanco в Междуамериканската обсерватория Cerro Tololo в чилийските Анди. DEC беше сглобен в САЩ във Фермилаб близо до Батавия, Илинойс, и представлява 570-мегапикселова камера, способна да изобразява галактики толкова далеч, че светлината им е милионна толкова ярка, колкото и най-тъмните видими звезди.
Тъмна енергия и тъмна материя
DES е лов на тъмна енергия, което е предложено енергийно поле във Вселената, което е отблъскваща форма на гравитация. Докато гравитацията упражнява неотразимо привличане, тъмната енергия тласка Вселената да се разширява с все по-голяма скорост. Ефектът му е наблюдаван за първи път през 1998 г., а ние все още имаме много въпроси за неговата същност.
Въпреки това, измервайки местоположението и разстоянието от 300 милиона галактики на южното нощно небе, проучването ще може да направи важни изявления за друга астрономическа мистерия, наречена тъмна материя. Смята се, че тъмната материя е пет пъти по-разпространена във Вселената от обикновената материя. И все пак той не взаимодейства със светлина, радиовълни или каквато и да е форма на електромагнитна енергия. И не изглежда да се събира, за да образува големи тела като планети и звезди.
Няма начин директно да видите тъмна материя (оттук и името). Ефектите му обаче могат да се видят косвено, като се анализира колко бързо се въртят галактиките. Ако изчислите скоростите на въртене, поддържани от видимата маса на галактиките, ще откриете, че те се въртят по-бързо, отколкото трябва. По всички права тези галактики трябва да бъдат разкъсани. След десетилетия на проучвания астрономите стигат до заключението, че всяка галактика съдържа тъмна материя, която генерира допълнителната гравитация, която държи галактиките заедно.
Тъмната материя във Вселената
Въпреки това, в много по-големия мащаб на Вселената, изучаването на отделни галактики не е достатъчно. Необходим е друг подход. За това астрономите трябва да използват техника, наречена гравитационно лещиране.
Гравитационните лещи бяха предсказани през 1916 г. от Алберт Айнщайн и за първи път бяха наблюдавани от сър Артър Едингтън през 1919 г. Теорията на общата относителност на Айнщайн казва, че гравитацията, която преживяваме, наистина е причинена от кривината на пространство-време. Тъй като светлината пътува по права линия през пространството, ако пространството-времето е извито, тя ще изглежда към наблюдателя, сякаш светлината пътува извита пътека през пространството.
Това явление може да бъде използвано за изучаване на количеството и разпределението на тъмната материя във Вселената. Учените, които надничат в далечна галактика (наречена лещираща галактика), която има друга галактика дори по-далеч зад нея (наречена наблюдавана галактика), могат да видят изкривено изображение на наблюдаваната галактика. Изкривяването е свързано с масата на обективната галактика. Тъй като масата на лещиращата галактика е комбинация от видима материя и тъмна материя, гравитационното лещиране позволява на учените директно да наблюдават съществуването и разпределението на тъмната материя в мащаби, големи колкото самата Вселена. Тази техника също работи, когато голям струпване на предни галактики изкривява образите на струпвания на още по-далечни галактики, което е техниката, използвана за това измерване.
На бучка или не?
Наскоро сътрудничеството DES пусна анализ, използвайки точно тази техника. Екипът разгледа извадка от 26 милиона галактики на четири различни разстояния от Земята. По-близките галактики отнесоха тези, които бяха по-далече. Използвайки тази техника и разгледайки внимателно изкривяването на изображенията на всички галактики, те успяха да очертаят разпределението на невидимата тъмна материя и как тя се движи и струпва през последните 7 милиарда години или половината от живота на вселена.
Както се очакваше, те откриха, че тъмната материя на Вселената е "бучкана". Имаше обаче изненада - тя беше малко по-малко на бучка, отколкото предсказаните предишни измервания.
Едно от тези противоречиви измервания идва от остатъчния радио сигнал от най-ранното време след Големия взрив, наречен космически микровълнов фон (CMB). CMB съдържа в себе си разпределението на енергията в Космоса, когато е бил на 380 000 години. През 1998 г. сътрудничеството Cosmic Background Explorer (COBE) обяви, че CMB не е идеално еднакъв, а има топли и студени петна, които се различават от униформата с 1 част на 100 000. Салдетите за анизотропия на WILP от Уилкинсън (WMAP) и спътниците на Планк потвърдиха и уточниха измерванията на COBE.
През 7-те милиарда години между излъчването на СМВ и изучения период от DES тези онези по-горещи региони на Вселената са образували структурата на Космоса. Нееднородното разпределение на енергия, заснето в CMB, комбинирано с усилващата сила на гравитацията, стана причина някои петна във Вселената да стават по-плътни, а други по-малко. Резултатът е вселената, която виждаме около нас.
CMB прогнозира разпределението на тъмната материя по проста причина: Разпределението на материята в нашата Вселена в настоящето зависи от нейното разпределение в миналото. В края на краищата, ако в миналото е имало бучка материя, тази материя би привлякла материята в близост и бучката ще расте. По същия начин, ако проектираме в далечното бъдеще, разпространението на материята днес би повлияло на утрешния ден по същата причина.
Така че учените са използвали измервания на CMB на 380 000 години след Големия взрив, за да изчислят как трябва да изглежда Вселената 7 милиарда години по-късно. Когато сравняват прогнозите с измерванията от DES, те откриват, че измерванията на DES са малко по-малко на буца, отколкото прогнозите.
Непълна картина
Това ли е голяма работа? Може би. Несигурността или грешката при двете измервания е достатъчно голяма, че означава, че те не се съгласяват по статистически значим начин. Това просто означава, че никой не може да бъде сигурен, че двете измервания наистина не са съгласни. Възможно е несъответствията да възникнат случайно от статистически колебания в данните или малки инструментални ефекти, които не бяха взети предвид.
Дори авторите на изследването тук биха предложили предпазливост. DES измерванията все още не са проверени. Документите бяха изпратени за публикуване и резултатите бяха представени на конференции, но категоричните заключения трябва да изчакат, докато съдиите дойдат.
И така, какво е бъдещето? DES има петгодишна мисия, от която са записани четири години данни. Наскоро обявеният резултат използва данни само за първата година. Все по-нови данни все още се анализират. Освен това, пълният набор от данни ще покрие 5000 квадратни градуса на небето, докато скорошният резултат обхваща само 1500 квадратни градуса и надниква само половината от пътя назад във времето. По този начин историята очевидно не е завършена. Анализ на пълния набор данни няма да се очаква до 2020 г.
И все пак данните, взети днес, вече биха могли да означават, че е възможно напрежение в нашето разбиране за еволюцията на Вселената. И дори ако това напрежение изчезне, когато се анализират повече данни, сътрудничеството DES продължава да прави други измервания. Не забравяйте, че буквите "DE" в името означават тъмна енергия. Тази група в крайна сметка ще може да ни каже нещо за поведението на тъмната енергия в миналото и какво можем да очакваме да видим в бъдеще. Това скорошно измерване е само началото на това, което се очаква да бъде завладяващо научно време.
Тази версия на статията първоначално е публикувана в Live Science.
