_ Noua măsurare a cosmice distanțele în studiul energiei întunecate oferă indicii despre natura energiei întunecate

Acum avem un model standard de cosmologie, versiunea actuală a teoriei Big Bang. Deși s-a dovedit un mare succes, consecințele sale sunt uluitoare. Cunoaștem doar 5% din conținutul universului, care este materie normală. Restul de 95% este alcătuit din două entități exotice care nu au fost niciodată produse în laborator și a căror natură fizică este încă necunoscută.

Acestea sunt materie întunecată, care reprezintă 25% din conținutul cosmosului. , și energia întunecată, care contribuie cu 70%. În modelul standard al cosmologiei, energia întunecată este energia spațiului gol, iar densitatea acesteia rămâne constantă pe tot parcursul evoluției universului.

Conform acestei teorii, undele sonore s-au propagat în universul foarte timpuriu. În acele etape incipiente, universul avea o temperatură și o densitate enormă. Presiunea din acest gaz inițial a încercat să împingă particulele care l-au format, în timp ce gravitația a încercat să le tragă împreună, iar competiția dintre cele două forțe a creat unde sonore care s-au propagat de la începutul universului până la aproximativ 400.000 de ani după Big Bang. .

În acel moment, radiația și materia au încetat să interacționeze, iar undele au fost înghețate, lăsând o amprentă asupra distribuției spațiale a materiei. Această amprentă este observată ca o mică acumulare preferențială de galaxii separate de o distanță caracteristică, numită scala Barion Acoustic Oscillations (BAO) de către cosmologi și corespunde distanței parcurse de undele sonore în acei 400.000 de ani.

Dark Energy Survey (DES) tocmai a măsurat scara BAO atunci când universul avea jumătate din vârsta sa actuală, cu o precizie de 2%, cea mai precisă determinare de până acum la o epocă atât de timpurie și prima dată când se efectuează o măsurătoare doar cu imagini. competitiv cu campaniile mari de spectroscopie special concepute pentru a detecta acest semnal.

Distanța pe care unda sonoră o parcurge în universul timpuriu depinde de procese fizice binecunoscute, astfel încât poate fi determinată cu mare precizie, stabilind un etalon pentru Universul. Este ceea ce cosmologii numesc un conducător standard. În acest caz, are o lungime de aproximativ 500 de milioane de ani-lumină.

Prin observarea unghiului pe care această riglă standard îl subtinde pe cer la diferite distanțe (sau, cu alte cuvinte, la diferite epoci din univers), se poate determina istoria expansiunii cosmice și, odată cu aceasta, proprietățile fizice ale energiei întunecate. În special, poate fi determinat prin analiza fondului cosmic cu microunde, radiația eliberată atunci când s-au format atomii, la 400.000 de ani după Big Bang, care ne oferă un instantaneu al universului foarte timpuriu, așa cum a fost publicat de colaborarea Planck în 2018.

De asemenea, poate fi determinată în universul târzie prin studierea scării BAO în mapările galaxiilor, așa cum a făcut DES. Analizarea consistenței ambelor determinări este una dintre cele mai solicitante teste ale modelului standard de cosmologie.

„Este o sursă de mândrie să vedem cum, după aproape douăzeci de ani de efort continuu, DES produce rezultate științifice. de cea mai mare relevanță în cosmologie”, spune Eusebio Sánchez, șeful grupului de cosmologie la CIEMAT. „Este o recompensă excelentă pentru efortul investit în proiect”.

„Ceea ce am observat este că galaxiile au o tendință mai mare de a fi separate unele de altele printr-un unghi de 2,90 grade pe cer în comparație cu alte distanțe”, comentează Santiago Ávila, cercetător postdoctoral la IFAE și unul a coordonatorilor analizei. "Asta este semnalul! Valul poate fi văzut clar în date", adaugă el, referindu-se la prima cifră. „Este o preferință subtilă, dar relevantă din punct de vedere statistic”, spune el, „și putem determina modelul de undă cu o precizie de 2%. Pentru referință, luna plină ocupă o jumătate de grad în diametru pe cer. Deci, dacă am fi capabili pentru a vedea galaxiile cu ochiul liber, distanța BAO ar arăta ca șase luni pline.”

Pentru a măsura scara BAO, DES a folosit 16 milioane de galaxii, distribuite pe o opteme din cer, care au fost special selectate pentru a determina cât de departe sunt cu suficientă precizie.

„Este important să selectăm un eșantion de galaxii care să ne permită să măsurăm scara BAO cât mai precis posibil”, spune Juan Mena, care și-a făcut doctoratul. la CIEMAT pe acest studiu și este acum cercetător postdoctoral la Laboratorul de Fizică Subatomică și Cosmologie din Grenoble (Franța). „Eșantionul nostru este optimizat pentru a avea un compromis bun între un număr mai mare de galaxii și certitudinea cu care le putem determina distanța.”

Distanțele cosmologice sunt atât de mari încât lumina durează miliarde de ani pentru a ajunge la noi, permițându-ne astfel să observăm trecutul cosmic. Eșantionul de galaxii folosit în acest studiu deschide o fereastră către univers în urmă cu șapte miliarde de ani, puțin mai puțin de jumătate din vârsta sa actuală.

„Una dintre cele mai complicate sarcini ale procesului este curățarea eșantionului de galaxie. a contaminanților observaționali: distincția dintre galaxii și stele sau atenuarea efectelor atmosferei asupra imaginilor”, spune Martín Rodríguez Monroy, cercetător postdoctoral la IFT din Madrid.

O descoperire interesantă a acestui studiu este aceea că dimensiunea pe care aceste valuri o ocupă pe cer este cu 4% mai mare decât cea estimată din măsurătorile făcute de satelitul Planck al ESA în universul timpuriu folosind radiația cosmică de fundal cu microunde. Având în vedere eșantionul de galaxii și incertitudinile analizei, această discrepanță are șanse de 5% să fie o simplă fluctuație statistică. Dacă nu ar fi, am putea să ne uităm la unul dintre primele indicii că teoria actuală a cosmologiei nu este completă, iar natura fizică a componentelor întunecate este chiar mai exotică decât se credea anterior.

" De exemplu, energia întunecată poate să nu fie energia vidului. Densitatea sa se poate schimba odată cu expansiunea universului sau chiar spațiul poate fi ușor curbat”, spune Anna Porredon, cercetător spaniol la Universitatea Ruhr Bochum (RUB) în Germania. Acest cercetător, membru al programului Marie Sklodowska-Curie Actions al Uniunii Europene, a fost unul dintre coordonatorii acestei analize.

Scara BAO a fost măsurată prin alte proiecte cosmologice înainte de DES la diferite vârste. ale universului, în principal Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) și extensia sa (eBOSS), care au fost concepute în acest scop. Cu toate acestea, măsurarea DES este cea mai precisă la o vârstă atât de fragedă a universului, cu jumătate din incertitudinea eBOSS la acel moment. Creșterea semnificativă a preciziei a făcut posibilă dezvăluirea posibilei discrepanțe în scara BAO față de modelul standard al cosmologiei.

„Pentru a urma acest exemplu, următorul pas crucial este combinarea acestor informații cu alte tehnici explorate de DES pentru a înțelege natura energiei întunecate”, comentează Hugo Camacho, cercetător postdoctoral la Brookhaven National Laboratory (S.U.A. ), anterior la Institutul de Fizică Teoretică de la Universitatea de Stat din São Paulo din Brazilia (IFT-UNESP) și membru al Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). „În plus, DES deschide calea pentru o nouă eră a descoperirilor în cosmologie, care va fi urmată de experimente viitoare cu măsurători și mai precise.”

Așa cum sugerează și numele, DES este un proiect cosmologic de amploare special. conceput pentru a studia proprietățile energiei întunecate. Este o colaborare internațională a peste 400 de oameni de știință din șapte țări, cu sediul la Laboratorul Național Accelerator Fermi al DOE din SUA, lângă Chicago. Proiectul este conceput pentru a utiliza patru metode reciproc complementare: distanțe cosmologice cu supernove, numărul de clustere de galaxii, distribuția spațială a galaxiilor și efectul slab de lentilă gravitațională.

În plus, aceste metode pot fi combinate. pentru a obține o putere statistică mai mare și un control mai bun al observațiilor, care se așteaptă să fie consecvente. Combinația dintre efectul de lentilă gravitațională cu distribuția spațială a galaxiilor este deosebit de relevantă. Aceste analize testează modelul cosmologic într-un mod foarte solicitant. Rezultatele care utilizează jumătate din datele DES au fost deja publicate cu mare succes, iar măsurătorile finale, folosind setul complet de date de peste 150 de milioane de galaxii, sunt de așteptat să fie publicate în cursul acestui an.

„DES ne permite să înțelegem pentru prima dată dacă expansiunea accelerată a universului, care a început acum 6 miliarde de ani, este în concordanță cu modelul nostru actual pentru originea universului”, comentează Martin Crocce, care coordonează această ultimă analiză de la ICE. .

Pentru a folosi toate aceste tehnici, DES a construit camera cu energie întunecată de 570 de megapixeli (DECam), una dintre cele mai mari și mai sensibile camere din lume. Este instalat pe telescopul Víctor M. Blanco, cu o oglindă cu diametrul de 4 m, la Observatorul Inter-American Cerro Tololo din Chile, operat de NOIRLab-ul NSF al SUA.

DES a cartografiat o opteme din boltă cerească la o adâncime fără precedent. A luat imagini în 4 culori între 2013 și 2019 și se află în prezent în faza finală a analizei științifice a acestor imagini. Instituțiile spaniole au făcut parte din proiect încă de la începuturile sale în 2005 și, pe lângă faptul că au colaborat în mod proeminent la proiectarea, fabricarea, testarea și instalarea DECam și achiziția de date, au responsabilități importante în managementul științific DES până în prezent.

(Fluierul)