Гравитация сформировала наш космос. Ее притягательное влияние превратило крошечные различия в количестве вещества, присутствовавшего в ранней Вселенной, в растянутые нити галактик, которые мы видим сегодня. Новое исследование, в котором использовались данные спектроскопического прибора темной энергии (DESI), проследило, как эта космическая структура росла на протяжении последних 11 миллиардов лет, что позволило провести самый точный на сегодняшний день тест на гравитацию в очень больших масштабах.
DESI - это международное сотрудничество более чем 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру, которым руководит Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США.
В своем новом исследовании исследователи DESI обнаружили, что гравитация ведет себя так, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Полученный результат подтверждает ведущую модель Вселенной и ограничивает возможные теории модифицированной гравитации, которые были предложены в качестве альтернативных способов объяснения неожиданных наблюдений, включая ускоряющееся расширение нашей Вселенной, которое обычно приписывается темной энергии.
"Общая теория относительности была очень хорошо протестирована в масштабе солнечных систем, но нам также нужно было проверить, что наше предположение работает в гораздо больших масштабах", - сказала Полин Заррук, космолог из Французского национального центра научных исследований (CNRS), работающая в Лаборатории ядерной физики и физики высоких энергий (LPNHE), который был одним из руководителей нового анализа.
"Изучение скорости образования галактик позволяет нам непосредственно проверить наши теории, и пока что мы согласуемся с тем, что предсказывает общая теория относительности в космологических масштабах".
Исследование также выявило новые верхние пределы массы нейтрино, единственных фундаментальных частиц, массы которых еще не были точно измерены.
Предыдущие эксперименты с нейтрино показали, что сумма масс трех типов нейтрино должна составлять не менее 0,059 эВ/с2. (Для сравнения, масса электрона составляет около 511 000 эВ/c2.) Результаты DESI показывают, что сумма должна быть меньше 0,071 эВ/c2, что оставляет узкое поле для определения масс нейтрино.
Коллаборация DESI поделилась своими результатами в нескольких статьях, размещенных в онлайн-хранилище arXiv. В ходе комплексного анализа было использовано около 6 миллионов галактик и квазаров, что позволило исследователям заглянуть в прошлое на 11 миллиардов лет. Имея данные всего за один год, DESI удалось провести наиболее точное общее измерение роста структуры, превзойдя предыдущие усилия, на которые уходили десятилетия.
Эти результаты представляют собой расширенный анализ данных за первый год работы DESI, которая в апреле составила самую большую на сегодняшний день 3D-карту Вселенной и выявила намеки на то, что темная энергия может эволюционировать с течением времени.
Апрельские результаты показали особую особенность скопления галактик, известную как барионные акустические колебания (BAO). Новый анализ, названный "анализом полной формы", расширяет возможности для извлечения дополнительной информации из данных, измеряя, как галактики и вещество распределяются в различных масштабах по всему космосу.
Исследование потребовало нескольких месяцев дополнительной работы и перекрестных проверок. Как и в предыдущем исследовании, в нем использовалась методика, позволяющая скрывать результаты от ученых до самого конца, устраняя любую неосознанную предвзятость.
"Как наши результаты BAO, так и анализ полной формы являются впечатляющими", - сказал Драган Хутерер, профессор Мичиганского университета и один из руководителей группы DESI, занимающейся интерпретацией космологических данных.
"Это первый случай, когда DESI наблюдал за ростом космической структуры. Мы демонстрируем потрясающую новую способность исследовать измененную гравитацию и улучшать ограничения на модели темной энергии. И это только верхушка айсберга."
DESI - это ультрасовременный прибор, который может улавливать свет от 5000 галактик одновременно. DESI установлен на 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйалла Национального научного фонда США в Национальной обсерватории Китт-Пик (программа NSF NOIRLab). Сейчас в рамках эксперимента проводится четвертый из пяти лет наблюдений за небом, и к моменту завершения проекта планируется собрать около 40 миллионов галактик и квазаров.
В настоящее время коллаборация анализирует данные, собранные за первые три года, и ожидает, что весной 2025 года будут представлены обновленные измерения темной энергии и истории расширения нашей Вселенной. Расширенные результаты DESI согласуются с более ранним предпочтением эксперимента эволюционирующей темной энергии, что добавляет уверенности в предстоящем анализе.
"Темная материя составляет около четверти Вселенной, а темная энергия - еще 70%, и мы на самом деле не знаем, что из себя представляет ни то, ни другое", - сказал Марк Маус, аспирант Лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, который работал над теорией и валидационным моделированием для нового анализа. "Идея о том, что мы можем фотографировать Вселенную и решать эти большие, фундаментальные вопросы, потрясает воображение".
Для коллаборации DESI большая честь получить разрешение на проведение научных исследований на Иолигам Дуаг (пик Китт), горе, имеющей особое значение для народа Тохоно О'Одхам.
