16.12.2025. - Исследования темной материи и темной энергии

Исследования темной материи и темной энергии

Согласно ведущей модели космологии, большая часть Вселенной невидима: в совокупности 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии. Что именно представляют собой эти темные компоненты, остается загадкой, но они оказывают огромное влияние на нашу Вселенную: темная материя оказывает гравитационное притяжение, а темная энергия стимулирует ускоряющееся расширение Вселенной.

Все, что ученые знают о темной материи и темной энергии, получено из наблюдений за их воздействием на видимую вселенную. Астрофизики из Чикагского университета измерили эти эффекты на новом участке неба, чтобы осветить невидимый космос.

Составление карты темной вселенной

С 2013 по 2019 год программа Dark Energy Survey (DES) собирала данные с помощью камеры Dark Energy Camera (DECam), установленной на 4-метровом телескопе Blanco в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили, и измерила и откалибровала формы более 150 миллионов галактик на площади 5000 квадратных градусов (около восьмая часть) неба. Эти наблюдения помогают лучше понять распределение массы во Вселенной и свойства темной энергии.

В частности, данные DES сыграли важную роль в понимании одной из основных проблем, возникших в последнее время в рамках ведущей космологической модели - модели лямбда-CDM (LCDM). По—видимому, существуют несоответствия между измерениями в близлежащей Вселенной, полученными в результате исследований галактик, таких как DES, и измерениями в ранней Вселенной, полученными на основе космического микроволнового фона (CMB) - остаточного излучения после Большого взрыва.

Хотя DECam использовался для сбора огромного объема данных для DES, он также наблюдал большие участки неба за пределами региона DES.

В работе, описанной в новой серии статей, опубликованных в Open Journal of Astrophysics, команда астрофизиков UChicago примерно удвоила количество галактик с измеренными формами, используя данные DECam, охватывающие тысячи квадратных градусов неба за пределами зоны видимости DES. Анализируя расширенные данные, которые изначально не предназначались для исследований с использованием слабых линз, команда смогла самостоятельно изучить ранее наблюдавшиеся несоответствия в ЖК-дисплеях.

Искажения и расстояние

Гравитационное линзирование, искривление света массивными объектами, является ключевым методом, используемым для определения количества массы и ее распределения во Вселенной, что позволяет получить представление о взаимодействиях между темной материей, обычной материей и темной энергией, объяснил Чихуэй Чанг, доцент кафедры астрономии и астрофизики и руководитель исследования. Камера темной энергии "Все данные повсюду" (DECADE) проект "Космический сдвиг со слабым линзированием".

При слабом гравитационном линзировании форма галактик, наблюдаемых с Земли, кажется слегка искаженной, поскольку свет от этих галактик должен проходить сквозь материю Вселенной и огибать ее, чтобы достичь нас. Эффект настолько тонкий, что для его измерения требуется статистический анализ.

"Измерения при слабом линзировании лучше всего подходят для определения "комковатости" вещества", - говорит Дайя Анбаджагане, аспирантка по астрономии и астрофизике, которая является ведущим аналитиком и первым автором серии статей DECADE. "Количественная оценка этой комковатости проливает свет на происхождение и эволюцию таких структур, как галактики и скопления галактик. Это примерно то же самое, что измерить распределение людей (материи), проживающих в регионе, и использовать это для понимания таких особенностей, как топография ландшафта или местоположение или возраст городских районов (факторы, влияющие на происхождение и эволюцию структур)."

Для этого проекта команда ученых измерила формы более 100 миллионов галактик. Они также измерили расстояния до них, определив, насколько сильно излучение галактики сместилось в сторону красного конца светового спектра (красное смещение), что указывает на то, насколько быстро галактика удаляется. Исходя из этого измерения, они могут рассчитать расстояние до Земли.

Используя эти формы и расстояния, команда ученых применила модель LCDM к полученным данным. Это стандартная космологическая модель, широко принятая для объяснения наблюдений за Вселенной, с компонентами, связанными с темной энергией, темной материей, обычной материей, нейтрино и излучением.

"Это хорошо протестированная модель, которая выдержала множество испытаний за последнее десятилетие, и наши данные дополнят эту историю", - сказал Чанг.

Исследование, проведенное DECADE, показало, что рост структуры во Вселенной согласуется с предсказаниями модели LCDM, подтверждая результаты предыдущих измерений слабого линзирования.

"Кроме того, сравнивая наши ограничения с теми, которые были получены и экстраполированы на основе реликтового излучения ранней Вселенной, мы также пришли к общему мнению", - сказал Чанг. "Этот последний вопрос был предметом споров в течение последних пяти или около того лет, и с нашими новыми результатами мы можем сказать, что не видим противоречий между слабым линзированием и реликтовым излучением".

"Мы также можем объединить десятилетние измерения линзирования с данными DES, что позволяет провести анализ линзирования галактик, в котором используется наибольшее количество галактик (270 миллионов), охватывающих самый широкий участок неба (13 000 квадратных градусов) на сегодняшний день", - сказал Анбаджагане. "Учитывая такой большой объем данных, мы можем сделать особенно консервативный выбор в нашем анализе — например, выполнить или использовать только те измерения, которым мы больше всего доверяем, а не все полезные или возможные измерения, — и при этом выполнить измерения с достаточной точностью, чтобы получить достоверную информацию для наших сравнений с CMB".

"Нетрадиционная съемка при слабом рассеянии"

Проект DECADE независимо проверяет соответствие между CMB и измерениями при слабом рассеянии на совершенно другом участке неба, но аналогичного размера, чем DES. Однако в начале проекта такой результат не был ожидаемым, отмечает Алекс Дрлика-Вагнер, научный сотрудник лаборатории Фермилаб и доцент астрономии и астрофизики UChicago, который руководил DECADE кампанией наблюдений.

"Было неясно, будет ли набор данных DECADE достаточно качественным для проведения космологического анализа, но мы показали, что он действительно может дать надежные результаты", - добавил он.

"Один из уникальных результатов этой работы связан с выбором, который мы делаем в отношении качества изображения", - сказал Анбаджагане. Обычная съемка с использованием слабого объектива позволяет получить около ста тысяч специальных изображений в течение многих лет, однако многие из них отбрасываются, например, из–за того, что качество изображения не соответствует установленным критериям.

"Проект DECADE уникален тем, что он использует архивные данные — изображения, первоначально полученные астрономическим сообществом для самых разных научных целей, от изучения карликовых галактик до звезд и отдаленных скоплений галактик, — и использует значительно более строгие критерии качества изображений. Наша работа показывает, что надежный анализ с помощью линзирования может быть проведен даже в том случае, если у нас нет специальных кампаний по созданию изображений с использованием линз", - сказал он.

Это меняет представление астрономов о будущих исследованиях с использованием линз, таких как результаты исследования Legacy Survey of Space and Time от Vera C. Rubin (Rubin LSST). В таких исследованиях может быть использовано больше изображений, чем в противном случае, что позволит повысить точность измерения астрономами космологических свойств. Возможность использования таких архивных данных в рамках проекта DECADE также была во многом обеспечена тщательным изучением изображений, которым руководил Чин И Тан, аспирант по физике.

Завершенный каталог, объединенный с DES, охватывает примерно треть неба (13 000 квадратных градусов) и содержит 270 миллионов галактик. Этот каталог был представлен научному сообществу этой осенью и уже вызвал интерес космологов и астрономов. Например, полученные командой изображения были использованы для изучения карликовых галактик и составления карт массы во Вселенной.

"Мы активно работаем над применением других методов анализа к нашим данным совместно с экспертами из Института космологической физики Кавли", - сказал Анбаджагане.

Ученые из UChicago, Fermilab и NCSA в UIUC объединили усилия с исследователями из Аргонна, Калифорнийского университета в Мэдисоне и многих других учреждений по всему миру, чтобы провести десятилетний анализ.

"Было совершенно необычно, что все эти разные компоненты были выставлены в коридоре", - сказал Чанг. "Это также позволило нам учиться друг у друга — и привело к неожиданному, но замечательному результату этого проекта".

Источник