We hebben nu een standaardmodel van de kosmologie, de huidige versie van de oerknaltheorie. Hoewel het zeer succesvol is gebleken, zijn de gevolgen ervan onthutsend. We kennen slechts 5% van de inhoud van het universum, wat normale materie is. De overige 95% bestaat uit twee exotische entiteiten die nog nooit in het laboratorium zijn geproduceerd en waarvan de fysieke aard nog onbekend is.

Dit zijn donkere materie, die 25% van de inhoud van de kosmos uitmaakt, en donkere energie, die 70% bijdraagt. In het standaardmodel van de kosmologie is donkere energie de energie van de lege ruimte, en de dichtheid ervan blijft constant tijdens de evolutie van het universum.

Volgens deze theorie plantten geluidsgolven zich in het zeer vroege heelal voort. In die vroege stadia had het universum een ​​enorme temperatuur en dichtheid. De druk in dit oorspronkelijke gas probeerde de deeltjes waaruit het bestond uit elkaar te duwen, terwijl de zwaartekracht ze naar elkaar toe probeerde te trekken. De concurrentie tussen de twee krachten creëerde geluidsgolven die zich voortplantten vanaf het begin van het heelal tot ongeveer 400.000 jaar na de oerknal. .

Op dat moment stopten de interactie tussen straling en materie en waren de golven bevroren, wat een afdruk achterliet op de ruimtelijke verdeling van materie. Deze afdruk wordt waargenomen als een kleine preferentiële accumulatie van sterrenstelsels gescheiden door een karakteristieke afstand, door kosmologen de Baryon Acoustic Oscillations (BAO) schaal genoemd, en komt overeen met de afstand die de geluidsgolven in die 400.000 jaar hebben afgelegd.

Een nieuwe meting van de kosmische afstand

De Dark Energy Survey (DES) heeft zojuist de BAO-schaal gemeten toen het universum de helft van zijn huidige leeftijd had, met een nauwkeurigheid van 2%, de meest nauwkeurige bepaling tot nu toe in zo'n vroeg tijdperk, en de eerste keer dat een meting met alleen beeldvorming concurrerend is met grote spectroscopiecampagnes die speciaal zijn ontworpen om dit signaal te detecteren.

De afstand die de geluidsgolf in het vroege heelal aflegt, is afhankelijk van bekende fysische processen en kan dus met grote precisie worden bepaald, waardoor een maatstaf voor het heelal wordt gesteld. Het is wat kosmologen een standaardliniaal noemen. In dit geval heeft het een lengte van ongeveer 500 miljoen lichtjaar.

Door de hoek te observeren die deze standaardliniaal op verschillende afstanden (of, met andere woorden, op verschillende tijdperken in het universum) aan de hemel insluit, kan men de geschiedenis van de kosmische expansie bepalen en daarmee de fysieke eigenschappen van donkere energie. . In het bijzonder kan dit worden bepaald door de kosmische microgolfachtergrond te analyseren, de straling die vrijkomt bij de vorming van atomen, 400.000 jaar na de oerknal, wat ons een momentopname geeft van het zeer vroege heelal, zoals gepubliceerd door de Planck-samenwerking in 2018.

Het kan ook in het late heelal worden bepaald door de BAO-schaal in karteringen van sterrenstelsels te bestuderen, zoals DES heeft gedaan. Het analyseren van de consistentie van beide bepalingen is een van de meest veeleisende tests van het standaardmodel van de kosmologie.

"Het is een bron van trots om te zien hoe DES, na bijna twintig jaar onafgebroken inspanning, wetenschappelijke resultaten oplevert van het hoogste belang in de kosmologie", zegt Eusebio Sánchez, hoofd van de kosmologiegroep bij CIEMAT. "Het is een uitstekende beloning voor de moeite die in het project is geïnvesteerd."

"Wat we hebben waargenomen is dat sterrenstelsels een grotere neiging hebben om van elkaar gescheiden te zijn door een hoek van 2,90 graden aan de hemel vergeleken met andere afstanden", zegt Santiago Ávila, een postdoctoraal onderzoeker bij IFAE en een van de coördinatoren van de analyse. "Dat is het signaal! De golf is duidelijk te zien in de gegevens", voegt hij eraan toe, verwijzend naar de eerste figuur. ‘Het is een subtiele voorkeur, maar statistisch relevant’, zegt hij, ‘en we kunnen het golfpatroon bepalen met een nauwkeurigheid van 2%. Ter referentie:de volle maan heeft een diameter van een halve graad aan de hemel. Dus als we in staat zouden zijn om de sterrenstelsels met het blote oog te zien, zou de BAO-afstand lijken op zes volle manen."

16 miljoen sterrenstelsels om het heelal 7 miljard jaar geleden te meten

Om de BAO-schaal te meten heeft DES 16 miljoen sterrenstelsels gebruikt, verdeeld over een achtste van de hemel, die speciaal zijn geselecteerd om met voldoende precisie te bepalen hoe ver ze verwijderd zijn.

‘Het is belangrijk om een ​​steekproef van sterrenstelsels te selecteren waarmee we de BAO-schaal zo nauwkeurig mogelijk kunnen meten’, zegt Juan Mena, die zijn doctoraat deed. bij CIEMAT voor deze studie en is nu postdoctoraal onderzoeker aan het Laboratorium voor Subatomaire Fysica en Kosmologie in Grenoble (Frankrijk). "Ons monster is geoptimaliseerd om een ​​goed compromis te bieden tussen een groter aantal sterrenstelsels en de zekerheid waarmee we hun afstand kunnen bepalen."

De kosmologische afstanden zijn zo groot dat het licht er miljarden jaren over doet om ons te bereiken, waardoor we het kosmische verleden kunnen observeren. Het monster van sterrenstelsels dat in dit onderzoek is gebruikt, opent zeven miljard jaar geleden een venster op het heelal, iets minder dan de helft van de huidige leeftijd.

‘Een van de meest gecompliceerde taken in het proces is het verwijderen van observationele verontreinigingen uit het sterrenstelsel:onderscheid maken tussen sterrenstelsels en sterren of de effecten van de atmosfeer op de beelden verzachten’, zegt Martín Rodríguez Monroy, postdoctoraal onderzoeker aan het IFT in Madrid. .

Aanwijzingen over de mysterieuze donkere energie

Een interessante bevinding van dit onderzoek is dat de omvang van deze golven aan de hemel 4% groter is dan voorspeld op basis van metingen door ESA's Planck-satelliet in het vroege heelal met behulp van kosmische microgolfachtergrondstraling. Gegeven de steekproef van sterrenstelsels en de onzekerheden van de analyse, heeft deze discrepantie een kans van 5% om slechts een statistische fluctuatie te zijn. Als dat niet zo was, zouden we naar een van de eerste aanwijzingen kunnen kijken dat de huidige kosmologische theorie niet helemaal compleet is, en dat de fysieke aard van de donkere componenten zelfs nog exotischer is dan eerder werd gedacht.

“Donkere energie is bijvoorbeeld misschien niet de energie van het vacuüm. De dichtheid ervan kan veranderen met de uitdijing van het heelal, of zelfs de ruimte kan licht gekromd zijn”, zegt Anna Porredon, een Spaanse onderzoeker aan de Ruhr Universiteit Bochum (RUB). in Duitsland. Deze onderzoeker, een fellow van het Marie Sklodowska-Curie Actions-programma van de Europese Unie, is een van de coördinatoren van deze analyse geweest.

De BAO-schaal is gemeten door andere kosmologische projecten vóór DES op verschillende leeftijden van het universum, voornamelijk de Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) en de uitbreiding ervan (eBOSS), die voor dit doel zijn ontworpen. De DES-meting is echter op zo'n jonge leeftijd de meest nauwkeurige van het universum, met de helft van de onzekerheid van eBOSS op dat moment. De aanzienlijke toename in nauwkeurigheid heeft het mogelijk gemaakt om de mogelijke discrepantie in de BAO-schaal ten opzichte van het standaardmodel van de kosmologie aan het licht te brengen.

‘Om dit voorbeeld te volgen is de volgende cruciale stap het combineren van deze informatie met andere technieken die DES heeft onderzocht om de aard van donkere energie te begrijpen’, zegt Hugo Camacho, een postdoctoraal onderzoeker aan het Brookhaven National Laboratory (VS), voorheen verbonden aan het Institute of Dark Energy. Theoretische natuurkunde aan de São Paulo State University in Brazilië (IFT-UNESP) en lid van het Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "Bovendien maakt DES ook de weg vrij voor een nieuw tijdperk van ontdekkingen in de kosmologie, dat zal worden gevolgd door toekomstige experimenten met nog nauwkeurigere metingen."

Het onderzoek naar donkere energie

Zoals de naam al doet vermoeden, is DES een groot kosmologisch project dat speciaal is opgezet om de eigenschappen van donkere energie te bestuderen. Het is een internationale samenwerking van meer dan 400 wetenschappers uit zeven landen, met het hoofdkantoor in het Fermi National Accelerator Laboratory van de Amerikaanse DOE, nabij Chicago. Het project is ontworpen om vier onderling complementaire methoden te gebruiken:kosmologische afstanden met supernova's, het aantal clusters van sterrenstelsels, de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels en het zwakke zwaartekrachtlenseffect.

Bovendien kunnen deze methoden worden gecombineerd om een ​​grotere statistische kracht te verkrijgen en een betere controle over de waarnemingen, waarvan wordt verwacht dat ze consistent zijn. Vooral de combinatie van het zwaartekrachtlenseffect met de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels is relevant. Deze analyses testen het kosmologische model op een zeer veeleisende manier. Resultaten waarbij de helft van de DES-gegevens zijn gebruikt, zijn al met groot succes gepubliceerd, en de definitieve metingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de volledige dataset van meer dan 150 miljoen sterrenstelsels, zullen naar verwachting later dit jaar worden gepubliceerd.

“DES stelt ons in staat om voor het eerst te begrijpen of de versnelde uitdijing van het heelal, die 6 miljard jaar geleden begon, consistent is met ons huidige model voor de oorsprong van het heelal”, zegt Martin Crocce, die deze laatste analyse co-coördineert. van ICE.

Om al deze technieken te kunnen gebruiken, bouwde DES de 570 Megapixel Dark Energy Camera (DECam), een van de grootste en meest gevoelige camera's ter wereld. Het is geïnstalleerd op de Víctor M. Blanco-telescoop, met een spiegel met een diameter van 4 meter, op het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili, beheerd door het NOIRLab van de Amerikaanse NSF.

DES heeft een achtste van het hemelgewelf tot een ongekende diepte in kaart gebracht. Er waren tussen 2013 en 2019 vierkleurenbeelden nodig en bevindt zich momenteel in de laatste fase van de wetenschappelijke analyse van deze beelden. Spaanse instellingen maken sinds de start in 2005 deel uit van het project en hebben, naast een prominente samenwerking bij het ontwerpen, produceren, testen en installeren van DECam en data-acquisitie, tot nu toe belangrijke verantwoordelijkheden op het gebied van het wetenschappelijk management van DES.

Geleverd door Brookhaven National Laboratory