Астрономы использовали едва заметные искривления форм галактик для картирования невидимых сил, формирующих Вселенную. Повторно проанализировав многолетние изображения с телескопов, они изучили более ста миллионов галактик на огромном участке неба. Это позволило точнее понять загадочную природу темной материи и темной энергии – компонентов, составляющих около 95 процентов Вселенной, чье влияние, хотя и невидимое напрямую, является неоспоримым.
Темная материя создает дополнительную гравитацию, которая помогает формировать галактики и их скопления, в то время как темная энергия связана с ускоренным расширением Вселенной. Поскольку эти ингредиенты не излучают свет, исследователи изучают их, отслеживая их воздействие на видимую часть космоса. Астрофизики из Чикагского университета (University of Chicago) применили именно такой подход, исследуя новый регион неба для лучшего понимания скрытого космоса.
В период с 2013 по 2019 год проект Dark Energy Survey (DES) проводил наблюдения с помощью камеры Dark Energy Camera (DECam) на 4-метровом телескопе Бланко (Blanco Telescope) в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо (Cerro Tololo Inter-American Observatory) в Чили. За это время DES измерил и откалибровал формы более 150 миллионов галактик на площади в 5000 квадратных градусов – это примерно одна восьмая часть неба. Эти измерения форм галактик помогают ученым уточнить оценки распределения массы во Вселенной и поведение темной энергии.
DES также сыграл важную роль в недавней головоломке, связанной с моделью Лямбда-CDM (Lambda-CDM, или ΛCDM) – стандартной системой, используемой для описания Вселенной. Некоторые исследования близлежащей Вселенной, проведенные с использованием обзоров галактик, таких как DES, казалось, расходились с предсказаниями, основанными на данных о ранней Вселенной, полученных из космического микроволнового фонового излучения (CMB) – остаточного излучения Большого взрыва.
Хотя DECam была создана для поддержки DES, она также собирала множество изображений за пределами основной области наблюдений DES. В новой серии статей в журнале Open Journal of Astrophysics астрофизики Чикагского университета использовали эти дополнительные наблюдения и почти удвоили количество галактик с измеренными формами, добавив данные с тысяч квадратных градусов за пределами региона DES. Поскольку эти изображения изначально не предназначались для исследований слабого линзирования, расширенный набор данных предлагает независимый способ перепроверить ранее выявленные несоответствия в модели ΛCDM.
Гравитационное линзирование происходит, когда масса искривляет свет, и это один из наиболее мощных инструментов для изучения того, где находится масса во Вселенной. Это включает как обычную, так и темную материю, а также может пролить свет на роль темной энергии, объясняет Чихвай Чанг (Chihway Chang), доцент астрономии и астрофизики и руководитель проекта Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE) по космическому сдвигу слабого линзирования.
При слабом гравитационном линзировании галактики не выглядят сильно растянутыми. Вместо этого их формы кажутся лишь слегка искаженными, или «сдвинутыми», потому что их свет проходит сквозь материю и вокруг нее на пути к Земле. Сигнал чрезвычайно мал, поэтому исследователи полагаются на статистические методы для его обнаружения. «Измерения слабого линзирования лучше всего подходят для зондирования ‘комковатости’ материи», – отмечает Дхайя Анбаджаган (Dhayaa Anbajagane), аспирант по астрономии и астрофизике, ведущий аналитик и первый автор серии статей DECADE. «Количественная оценка этой ‘комковатости’ проливает свет на происхождение и эволюцию структур, таких как галактики и скопления галактик. Это примерно похоже на измерение распределения людей (материи), живущих на территории, и использование этих данных для понимания особенностей, таких как топография ландшафта или расположение и возраст городских районов (факторы, влияющие на происхождение и эволюцию структур)».
Для работы в рамках проекта DECADE исследователи измерили формы более ста миллионов галактик. Они также оценили расстояние до этих галактик, анализируя, насколько сильно свет каждой галактики смещается в сторону красных длин волн (красное смещение). Этот сдвиг показывает, как быстро галактика удаляется, и может быть использован для вычисления ее расстояния от Земли.
Имея формы и расстояния галактик, команда соотнесла модель ΛCDM с наблюдениями. ΛCDM – это широко используемая космологическая модель, учитывающая темную энергию, темную материю, обычную материю, нейтрино и излучение. «Это хорошо проверенная модель, которая выдержала множество проверок за последнее десятилетие, и наши данные добавят новую главу в эту историю», – говорит Чанг.
Результаты DECADE показывают, что рост космических структур соответствует предсказаниям ΛCDM, что согласуется с более ранними исследованиями слабого линзирования. «Кроме того, при сравнении наших ограничений с теми, что получены и экстраполированы из данных о CMB ранней Вселенной, мы также видим хорошее совпадение, – добавляет Чанг. – Последний момент был предметом дебатов в течение последних примерно пяти лет, и с нашими новыми результатами мы можем сказать, что не видим расхождений между слабым линзированием и CMB».
«Мы также смогли объединить измерения линзирования DECADE с данными DES, что привело к анализу линзирования галактик, использующему самое большое количество галактик (270 миллионов), охватывающему самый широкий участок неба (13 000 квадратных градусов) на сегодняшний день», – подчеркивает Анбаджаган. – Учитывая такой большой объем данных, мы можем принимать особенно консервативные решения в нашем анализе – например, делать или использовать только те измерения, которым мы доверяем больше всего, а не все полезные или возможные измерения – и при этом достичь точности, достаточной для того, чтобы осмысленно информировать наши сравнения с CMB».
DECADE предоставляет независимую проверку того, согласуются ли результаты слабого линзирования с ожиданиями, основанными на CMB, используя другую часть неба, нежели DES, но в сопоставимом масштабе. Алекс Дрлика-Вагнер (Alex Drlica-Wagner), ученый из Фермилаб (Fermilab) и доцент астрономии и астрофизики Чикагского университета, руководивший наблюдательной кампанией DECADE, отметил, что успех не был гарантирован с самого начала. «Не было очевидно, что набор данных DECADE будет достаточно качественным для проведения космологического анализа, но мы показали, что он действительно может давать надежные результаты», – сказал он.
Выдающейся особенностью проекта стало принятие решений о качестве изображений, объясняет Анбаджаган. Традиционные обзоры слабого линзирования собирают около ста тысяч специально сделанных изображений на протяжении многих лет, и многие кадры отбрасываются, если они не соответствуют строгим стандартам. «Проект DECADE уникален тем, что он повторно использует архивные данные – изображения, изначально сделанные астрономическим сообществом для широкого спектра научных целей, от изучения карликовых галактик до звезд и далеких скоплений галактик – и применяет значительно более мягкие критерии качества изображений. Наша работа показывает, что надежный анализ линзирования может быть выполнен, даже если у нас нет специально предназначенных для линзирования кампаний по съемке», – отметил он.
Такой подход может повлиять на то, как исследователи будут проводить будущие исследования слабого линзирования, включая работу, основанную на обзоре Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Использование большей части доступных изображений может повысить точность космологических измерений. Способность команды использовать архивные изображения также сильно зависела от тщательной проверки изображений, которую возглавляла Чин И Тан (Chin Yi Tan), аспирантка по физике.
В сочетании с DES, итоговый каталог покрывает около одной трети неба (13 000 квадратных градусов) и включает 270 миллионов галактик. Каталог был выпущен для научного сообщества этой осенью, и исследователи уже начали использовать изображения для других исследований, включая работу над карликовыми галактиками и новыми картами распределения массы во Вселенной. «Мы активно работаем над применением других методов анализа к нашим данным совместно с экспертами Института Кавли по космологической физике (Kavli Institute for Cosmological Physics)», – сообщил Анбаджаган.
Анализ DECADE объединил ученых из Чикагского университета, Фермилаб и NCSA в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне (UIUC), а также сотрудников Аргоннской национальной лаборатории (Argonne), Университета Висконсин–Мэдисон (UW-Madison) и многих других учреждений по всему миру. «Было совершенно особенным, что все эти разные компоненты находились в одном коридоре, – сказала Чанг. – Это также позволило нам учиться друг у друга – и привело к неожиданному, но замечательному результату этого проекта».
