Don Lincoln je višji znanstvenik na ameriškem ministrstvu za energetiko Fermilab, največji raziskovalni instituciji za velike hadronske trkalnike v državi. Prav tako piše o znanosti za javnost, vključno s svojimi nedavnimi "Veliki hadronski trkalnik: izjemna zgodba o Higgsovem bosonu in drugih stvareh, ki bodo razburile vaš um"(Johns Hopkins University Press, 2014). Lahko mu sledite naprejFacebook. Lincoln je prispeval ta članek k Žive znanostiGlasovi strokovnjakov: Op-Ed & Vpogledi.
Dokler smo vodili evidence, se je človeštvo čudilo nočnemu nebu. Ogledali smo si nebesa, da bi določili voljo bogov in se spraševali o pomenu vsega tega. Že samo 5000 zvezd, ki jih lahko vidimo z neopaženim očesom, so že tisočletja spremljevalci človeštva.
Sodobne astronomske zmogljivosti so nam pokazale, da vesolje ne sestavlja samo tisoč zvezd - sestoji iz več sto milijard zvezd v naši galaksiji, s trilijoni galaksij. Opazovalnice so nas učile o rojstvu in evoluciji vesolja. In 3. avgusta je nov objekt dal prvo vsebinsko napoved in dopolnil naše razumevanje kozmosa. Omogoča nam videti neopazno in pokazalo je, da se distribucija snovi v vesolju nekoliko razlikuje od pričakovanj.
Raziskava o temni energiji (DES) je sodelovanje približno 400 znanstvenikov, ki so se lotili petletne misije preučevanja oddaljenih galaksij in odgovarjali na vprašanja o zgodovini vesolja. Uporablja kamero temne energije (DEC), pritrjeno na 4-metrski teleskop Victor M. Blanco na medameriškem observatoriju Cerro Tololo v čileanskih Andih. DEC je bil sestavljen v ZDA v Fermilabu v bližini Batavije v Illinoisu in je kamera s 570 milijoni slikovnih pik, ki je sposobna slikati galaksije tako daleč, da je njihova svetloba milijonino svetla kot najtemnejše vidne zvezde.
Temna energija in temna snov
DES je lov na temno energijo, ki je predlagano energetsko polje v vesolju, ki je odbojna oblika gravitacije. Medtem ko gravitacija izvaja nepremagljivo privlačnost, temna energija potiska vesolje, da se širi z vedno večjo hitrostjo. Njen učinek smo prvič opazili leta 1998 in še vedno imamo veliko vprašanj o njegovi naravi.
Toda z merjenjem lokacije in oddaljenosti 300 milijonov galaksij na južnem nočnem nebu bo raziskava lahko dala pomembne izjave o še eni astronomski skrivnosti, imenovani temna snov. Šteje se, da je temna materija v vesolju petkrat bolj razširjena od navadne snovi. Pa vendar ne deluje s svetlobo, radijskimi valovi ali kakršno koli obliko elektromagnetne energije. In zdi se, da se ne združujejo v velika telesa, kot so planeti in zvezde.
Ni mogoče neposredno videti temne snovi (od tod tudi ime). Njene učinke pa lahko vidimo posredno z analizo, kako hitro se vrtijo galaksije. Če izračunate hitrosti vrtenja, ki jih podpira vidna masa galaksij, boste ugotovili, da se vrtijo hitreje, kot bi morale. Po vseh pravicah bi morale biti te galaksije raztrgane. Po desetletjih raziskav so astronomi ugotovili, da vsaka galaksija vsebuje temno snov, ki ustvarja dodatno gravitacijo, ki drži galaksije skupaj.
Temna materija v vesolju
Vendar v mnogo večjem obsegu vesolja preučevanje posameznih galaksij ne zadostuje. Potreben je še en pristop. Za to morajo astronomi uporabiti tehniko, imenovano gravitacijsko lečo.
Gravitacijsko lečo je leta 1916 napovedal Albert Einstein, prvič pa jo je opazil sir Arthur Eddington leta 1919. Einsteinova teorija splošne relativnosti pravi, da gravitacija, ki jo doživljamo, resnično povzroči ukrivljenost prostora in časa. Ker svetloba potuje po ravni črti skozi prostor, če je prostor-čas ukrivljen, bo na opazovalca videti, kot da bi svetloba potovala po ukrivljeni poti skozi vesolje.
Ta pojav je mogoče uporabiti za preučevanje količine in porazdelitve temne snovi v vesolju. Znanstveniki, ki pokukajo v oddaljeno galaksijo (imenovano lečo), ki ima še eno galaksijo, ki je še dlje za njo (imenovano opazovana galaksija), lahko vidijo popačeno sliko opazovane galaksije. Popačenje je povezano z maso galaksije, ki leče. Ker je masa leče galaksije kombinacija vidne snovi in temne materije, gravitacijsko lečo omogoča znanstvenikom, da neposredno opazujejo obstoj in porazdelitev temne snovi na lestvicah, velikih kot vesolje samo. Ta tehnika deluje tudi, ko velik grozd sprednjih galaksij izkrivlja slike grozdov še bolj oddaljenih galaksij, kar je tehnika, uporabljena za to meritev.
Grudasti ali ne?
Sodelovanje DES je pred kratkim objavilo analizo z natančno to tehniko. Skupina si je ogledala vzorec 26 milijonov galaksij na štirih različnih razdaljah od Zemlje. Bližje galaksije so posodile tiste, ki so bile bolj oddaljene. S to tehniko in natančnim pogledom na izkrivljanje slik vseh galaksij so lahko preslikali porazdelitev nevidne temne snovi in kako se je premikala in strmoglavila v zadnjih 7 milijard letih ali polovici življenjske dobe vesolje.
Kot so pričakovali, so ugotovili, da je temna snov vesolja "grudasta." Vendar je prišlo presenečenje - bilo je nekoliko manj grudasto, kot so predvidevale prejšnje meritve.
Ena izmed teh nasprotujočih si meritev izvira iz ostanka radijskega signala iz najzgodnejšega časa po velikem udaru, imenovanega kozmično mikrovalovno ozadje (CMB). CMB v sebi vsebuje porazdelitev energije v kozmosu, ko je bil star 380.000 let. Leta 1998 je sodelovanje pri Cosmic Background Explorerju (COBE) sporočilo, da CMB ni popolnoma enoten, temveč ima vroče in hladne točke, ki so se od enotnega razlikovale za 1 del na 100.000. Wilkinson mikrovalovna anizotropna sonda (WMAP) in sateliti Planck so potrdili in izpopolnili meritve COBE.
V sedmih milijardah let med izpustom CMB in časovnim obdobjem, ki ga je proučeval DES, so ta bolj vroča območja vesolja seme oblikovala strukturo kozmosa. Neenakomerna porazdelitev energije, ujeta v CMB, v kombinaciji z ojačevalno silo gravitacije je povzročila, da so se nekatere pike v vesolju postale gostejše, druge pa manj. Rezultat je vesolje, ki ga vidimo okoli nas.
CMB napoveduje porazdelitev temne snovi iz preprostega razloga: Razdelitev materije v našem vesolju v sedanjosti je odvisna od njegove razporeditve v preteklosti. Konec koncev, če bi v preteklosti obstajala gruča materije, bi ta zadeva pritegnila bližnjo snov in bi gruča rasla. Podobno bi bilo, če bi projicirali v daljno prihodnost, bi razdelitev materije danes vplivala na jutrišnji iz istega razloga.
Znanstveniki so torej uporabili meritve CMB na 380.000 letih po velikem udaru, da so izračunali, kako naj bi bilo videti vesolje 7 milijard let kasneje. Ko so napovedi primerjali z meritvami iz DES, so ugotovili, da so bile meritve DES nekoliko manj grudaste kot napovedi.
Nepopolna slika
Je to velika stvar? Mogoče. Negotovost ali napaka pri obeh meritvah je dovolj velika, da pomeni, da se ne strinjata na statistično pomemben način. To preprosto pomeni, da nihče ne more biti prepričan, da se dve meritvi resnično ne strinjata. Možno je, da odstopanja naključno nastanejo zaradi statističnih nihanj podatkov ali majhnih instrumentalnih učinkov, ki niso bili upoštevani.
Tudi avtorji študije bi tu predlagali previdnost. Meritve DES še niso bile strokovno pregledane. Dokumenti so bili poslani v objavo in rezultati so bili predstavljeni na konferencah, vendar je treba na trde zaključke počakati, da pridejo poročila sodnikov.
Kakšna je torej prihodnost? DES ima petletno poslanstvo, od tega so zabeležili štiriletne podatke. Nedavno objavljeni rezultat uporablja samo podatke o vrednosti prvega leta. Novejši podatki se še vedno analizirajo. Poleg tega bo celoten nabor podatkov zajel 5000 kvadratnih stopinj neba, medtem ko nedavni rezultat pokriva le 1.500 kvadratnih stopinj in je samo polovica poti nazaj. Tako zgodba očitno ni popolna. Analiza celotnega nabora podatkov bo predvidoma predvidoma do leta 2020.
Kljub temu pa lahko danes že dobljeni podatki pomenijo, da je mogoče razumeti evolucijo vesolja. Tudi če ta napetost izgine, ko se analizira več podatkov, sodelovanje DES nadaljuje z drugimi meritvami. Ne pozabite, da črke "DE" v imenu pomenijo temno energijo. Ta skupina nam bo sčasoma lahko povedala nekaj o vedenju temne energije v preteklosti in o tem, kaj lahko pričakujemo v prihodnosti. Ta nedavna meritev je samo začetek tistega, kar naj bi bil znanstveno fascinanten.
Ta različica članka je bila prvotno objavljena na Live Science.
