Een onderzoeksteam van meerdere instituten, waaronder de National Astronomical Observatory of Japan en de Universiteit van Tokyo, heeft een ongekend brede en scherpe donkere-materiekaart uitgebracht op basis van de nieuw verkregen beeldgegevens van Hyper Suprime-Cam op de Subaru-telescoop. De verdeling van donkere materie wordt geschat door de zwakke zwaartekrachtlenstechniek (Figuur 1, Film). Het team lokaliseerde de posities en lenssignalen van de halo's van donkere materie en vond aanwijzingen dat het aantal halo's inconsistent zou kunnen zijn met wat het eenvoudigste kosmologische model suggereert. Dit zou een nieuwe aanwijzing kunnen zijn om te begrijpen waarom de uitdijing van het heelal versnelt.

Mysterie van het versnelde heelal

In de jaren dertig, Edwin Hubble en zijn collega's ontdekten de uitdijing van het heelal. Dit was een grote verrassing voor de meeste mensen die geloofden dat het heelal voor eeuwig hetzelfde bleef. Er was een formule nodig die materie en de geometrie van ruimte-tijd in verband brengt om de uitdijing van het heelal wiskundig uit te drukken. Toevallig, Einstein had al zo'n formule ontwikkeld. De moderne kosmologie is gebaseerd op de zwaartekrachttheorie van Einstein.

Men dacht dat de uitdijing in de loop van de tijd vertraagt ​​(blauwe en rode lijnen in figuur 2) omdat de inhoud van het heelal (materie) elkaar aantrekt. Maar eind jaren negentig, er werd vastgesteld dat de uitbreiding sinds ongeveer 8 Giga jaar geleden aan het versnellen is. Dit was weer een grote verrassing die de astronomen die de uitbreiding in 2011 vonden een Nobelprijs opleverde. Om de versnelling te verklaren, we moeten iets nieuws in het heelal overwegen dat de ruimte afstoot.

De eenvoudigste oplossing is om de kosmologische constante terug te plaatsen in de vergelijking van Einstein. De kosmologische constante werd oorspronkelijk door Einstein geïntroduceerd om een ​​statisch universum te realiseren, maar werd verlaten na de ontdekking van de uitdijing van het heelal. Het standaard kosmologische model (LCM genaamd) bevat de kosmologische constante. De uitbreidingsgeschiedenis met LCDM wordt weergegeven door de groene lijn in figuur 2. LCDM wordt ondersteund door veel observaties, maar de vraag waardoor de versnelling wordt veroorzaakt, blijft nog steeds. Dit is een van de grootste problemen in de moderne kosmologie.

Breed en diep beeldonderzoek met Hyper Suprime-Cam

Het team leidt een grootschalig beeldvormend onderzoek met behulp van Hyper Suprime-Cam (HSC) om het mysterie van het versnellende heelal te onderzoeken. De sleutel hier is om de expansiegeschiedenis van het heelal zeer zorgvuldig te onderzoeken.

In het vroege heelal, materie was bijna maar niet helemaal gelijkmatig verdeeld. Er waren kleine fluctuaties in de dichtheid die nu kunnen worden waargenomen door de temperatuurschommelingen van de kosmische microgolfachtergrond. Deze lichte materiefluctuaties evolueerden in de loop van de kosmische tijd vanwege de wederzijdse aantrekkingskracht van materie, en uiteindelijk wordt de grootschalige structuur van het huidige heelal zichtbaar. Het is bekend dat de groeisnelheid van de structuur sterk afhangt van hoe het heelal uitzet. Bijvoorbeeld, als de expansiesnelheid hoog is, het is moeilijk voor materie om samen te trekken en de groeisnelheid wordt onderdrukt. Dit betekent dat de expansiegeschiedenis omgekeerd kan worden onderzocht door de waarneming van de groeisnelheid.

Het is belangrijk op te merken dat de groeisnelheid niet goed kan worden onderzocht als we alleen zichtbare materie (sterren en sterrenstelsels) waarnemen. Dit komt omdat we nu weten dat bijna 80% van de materie een onzichtbare substantie is die donkere materie wordt genoemd. Het team nam de 'zwakke zwaartekrachtlenstechniek' over. De beelden van verre sterrenstelsels worden enigszins vervormd door het zwaartekrachtveld dat wordt gegenereerd door de verdeling van donkere materie op de voorgrond. Analyse van de systematische vervorming stelt ons in staat om de verdeling van donkere materie op de voorgrond te reconstrueren.

Deze techniek is observerend zeer veeleisend omdat de vervorming van elk sterrenstelsel over het algemeen erg subtiel is. Nauwkeurige vormmetingen van zwakke en ogenschijnlijk kleine sterrenstelsels zijn vereist. Dit motiveerde het team om Hyper Suprime-Cam te ontwikkelen. Ze voeren sinds maart 2014 een breed veldbeeldonderzoek uit met behulp van Hyper Suprime-Cam. Bij dit schrijven in februari 2018, 60% van de enquête is ingevuld.

Ongekend brede en scherpe donkere materie kaart

In deze uitgave, het team presenteert de kaart van de donkere materie op basis van de beeldgegevens die in april 2016 zijn verzameld (Figuur 1). Dit is slechts 11% van de geplande definitieve kaart, maar het is nu al ongekend breed. Er is nog nooit zo'n scherpe kaart van donkere materie geweest die zo'n groot gebied beslaat.

Beeldwaarnemingen worden gedaan door middel van vijf verschillende kleurenfilters. Door deze kleurgegevens te combineren, het is mogelijk om een ​​ruwe schatting te maken van de afstanden tot de zwakke achtergrondsterrenstelsels (fotometrische roodverschuiving genoemd). Tegelijkertijd, de lensefficiëntie wordt het meest prominent wanneer de lens zich direct tussen het verre melkwegstelsel en de waarnemer bevindt. Met behulp van de fotometrische roodverschuivingsinformatie, sterrenstelsels zijn gegroepeerd in roodverschuivingsbakken. Met behulp van dit gegroepeerde melkwegmonster, de verdeling van donkere materie wordt gereconstrueerd met behulp van tomografische methoden en zo kan de 3D-verdeling worden verkregen. Figuur 4 toont zo'n voorbeeld. Gegevens voor 30 vierkante graden worden gebruikt om het roodverschuivingsbereik tussen 0,1 (~1,3 G lichtjaar) en 1,0 (~8 G lichtjaar) te reconstrueren. Bij de roodverschuiving van 1,0, de hoekoverspanning komt overeen met 1,0 G x 0,25 G lichtjaar. Deze 3D-massakaart van donkere materie is ook vrij nieuw. Dit is de eerste keer dat de toename van het aantal halo's van donkere materie in de loop van de tijd waarneembaar is.

Wat de halotelling van de donkere materie suggereert en toekomstperspectieven

Het team telde het aantal halo's van donkere materie waarvan het lenssignaal boven een bepaalde drempel ligt. Dit is een van de eenvoudigste metingen van de groeisnelheid. Het histogram (zwarte lijn) in figuur 5 toont de waargenomen sterkte van het lenssignaal versus het aantal waargenomen halo's, terwijl de modelvoorspelling wordt weergegeven door de ononderbroken rode lijn. Het model is gebaseerd op het standaard LCDM-model dat de waarneming van de kosmische microgolfachtergrond gebruikt als het zaad van de fluctuaties. De figuur suggereert dat het aantal halo's van donkere materie lager is dan wat van LCDM wordt verwacht. Dit zou erop kunnen wijzen dat er een fout zit in LCDM en dat we misschien een alternatief moeten overwegen in plaats van de eenvoudige kosmologische constante.

De statistische significantie is, echter, nog steeds beperkt zoals de grote foutbalken (verticale lijn op het histogram in figuur 5) suggereren. Er is geen sluitend bewijs om LCDM af te wijzen, maar veel astronomen zijn geïnteresseerd in het testen van LCDM omdat discrepanties een nuttige sonde kunnen zijn om het mysterie van het versnellende heelal te ontrafelen. Verdere observatie en analyse zijn nodig om de discrepantie met een hogere significantie te bevestigen. Er zijn enkele andere sondes van de groeisnelheid en dergelijke analyses zijn ook aan de gang (bijvoorbeeld hoekcorrelatie van melkwegvormen) in het team om de validiteit van standaard LCDM te controleren.

Deze resultaten zijn op 1 januari gepubliceerd. 2018 in de HSC speciale uitgave van de Publications of the Astronomical Society of Japan. Het rapport is getiteld "Een grote steekproef van door afschuiving geselecteerde clusters van het Hyper Suprime-Cam Subaru Strategisch Programma S16A Wide field mass maps."