Astrofysici hebben een redelijk nauwkeurig begrip van hoe het universum veroudert:dat is de conclusie van nieuwe resultaten van de Dark Energy Survey (DES), een grote internationale wetenschappelijke samenwerking, waaronder onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, die modellen van kosmische structuurvorming en evolutie tot de meest nauwkeurige test tot nu toe zetten.

De onderzoekers van het onderzoek analyseerden het licht van 26 miljoen sterrenstelsels om te bestuderen hoe structuren in het universum zijn veranderd in de afgelopen 7 miljard jaar - de helft van de leeftijd van het universum. De gegevens zijn genomen met de DECam, een 570-megapixelcamera bevestigd aan de 4-meter Victor M. Blanco-telescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili.

Eerder, de meest nauwkeurige test van kosmologische modellen kwam van metingen met de Planck-satelliet van de European Space Agency van wat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - een zwakke gloed in de lucht uitgezonden 380, 000 jaar na de oerknal.

"Terwijl Planck naar de structuur van het zeer vroege heelal keek, DES heeft structuren gemeten die veel later zijn geëvolueerd, " zei Daniël Gruen, een postdoctoraal onderzoeker van NASA Einstein aan het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), een gezamenlijk instituut van Stanford University en SLAC. "De groei van deze structuren vanaf de vroege leeftijd van het universum tot vandaag komt overeen met wat onze modellen voorspellen, waaruit blijkt dat we kosmische evolutie heel goed kunnen beschrijven."

Gruen zal de resultaten presenteren, die zijn gebaseerd op gegevens uit het eerste jaar van de vijf jaar durende enquête, vandaag op de 2017 Division of Particles and Fields-bijeenkomst van de American Physical Society in het Fermi National Accelerator Laboratory van de DOE.

KIPAC-faculteitslid Risa Wechsler, een van de oprichters van DES, zei, "Voor de eerste keer, de precisie van de belangrijkste kosmologische parameters die uit een melkwegonderzoek komen, is vergelijkbaar met die afgeleid van metingen van de kosmische microgolfachtergrond. Dit stelt ons in staat om onze modellen onafhankelijk te testen en beide benaderingen te combineren om parameterwaarden met ongekende precisie te verkrijgen."

Grootste kaart van massadistributie

Het standaardmodel van de kosmologie, genaamd Lambda-CDM, bevat twee belangrijke ingrediënten. Koude donkere materie (CDM), een onzichtbare vorm van materie die vijf keer vaker voorkomt dan gewone materie, klontert samen en vormt de kern van de vorming van structuren zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Lambda, de kosmologische constante, beschrijft de versnelde uitdijing van het heelal, aangedreven door een onbekende kracht die donkere energie wordt genoemd.

Astrofysici hebben nauwkeurige tests van het model nodig omdat de ingrediënten niet helemaal zeker zijn. Donkere materie is nooit direct gedetecteerd. Donkere energie is nog mysterieuzer, en het is niet bekend of het daadwerkelijk een constante is of in de loop van de tijd verandert.

DES is er nu in geslaagd een dergelijke precisietest uit te voeren. De wetenschappers gebruikten het feit dat beelden van verre sterrenstelsels enigszins worden vervormd door de zwaartekracht van sterrenstelsels op de voorgrond - een effect dat bekend staat als zwakke zwaartekrachtlensing. Deze analyse leidde tot de grootste kaart die ooit is gemaakt voor de verdeling van massa - zowel reguliere als donkere materie - in het heelal, evenals de evolutie ervan in de tijd.

"Binnen een foutbalk van minder dan 5 procent, de gecombineerde Planck- en DES-resultaten zijn consistent met Lambda-CDM, "Zei Wechsler. "Dit betekent ook dat, tot dusver, we hebben niets anders nodig dan een constante vorm van donkere energie om de expansiegeschiedenis van het universum te beschrijven."

Belangrijkste bijdragen van KIPAC

Naast Gruen, die de zwakke lensing-werkgroep leidde, en Wechsler, wiens groep realistische simulaties van het onderzoek leverde die essentieel waren voor het testen van verschillende aspecten van de kosmologische analyse, een groot aantal KIPAC-wetenschappers, postdoctorale fellows, afgestudeerde studenten en alumni hebben cruciale bijdragen geleverd aan DES - van het bouwen van het instrument tot het ontwikkelen van theorie en simulaties en het analyseren van de gegevens.

Postdoctoraal onderzoeker Elisabeth Krause, bijvoorbeeld, leidt de werkgroep DES theorie en gecombineerde sondes. In die rol, zij leidde de leiding bij het ontwikkelen van theoretische modellen die overeenkomen met de experimentele precisie die is verkregen met de DES-gegevens. Dit omvatte het schrijven van computercodes die berekenen hoe zwakke zwaartekrachtlensing eruit zou moeten zien voor een bepaald model.

"Verschillende mensen ontwikkelen enigszins verschillende codes die bedoeld zijn om hetzelfde te doen, " zei ze. "Ik heb geholpen code-ontwikkelaars bij elkaar te brengen om hun resultaten te controleren en ervoor te zorgen dat we de meest nauwkeurige theoriecodes krijgen die mogelijk zijn."

Een andere sleutel tot het maken van de massaverdelingskaart was het nauwkeurig bepalen van de afstanden tot de waargenomen sterrenstelsels - informatie die meestal wordt afgeleid van onafhankelijke onderzoeken die de eigenschappen analyseren van licht dat afkomstig is van die objecten of van exploderende sterren.

"We hebben aangetoond dat we de kleur van bepaalde rode sterrenstelsels - rood is de kleur die ze zouden hebben als je er recht voor zou staan ​​- kunnen gebruiken om te bepalen hoe ver ze weg zijn, " zei SLAC-stafwetenschapper Eli Rykoff, die een leidende rol hadden in dit deel van de analyse. "Het blijkt dat als we in kaart brengen waar deze rode sterrenstelsels zich aan de hemel bevinden, we kunnen ze gebruiken om de afstanden van de lenzen en achtergrondstelsels die in het onderzoek zijn gebruikt te kalibreren."

Op weg naar nog diepere kosmische inzichten

In de nabije toekomst, meer DES-gegevens zullen astrofysici in staat stellen hun kosmologische modellen met nog meer precisie te testen. De analyse van de gegevens die tijdens de eerste drie jaar van het onderzoek zijn verzameld, zal binnenkort beginnen, en binnenkort zal ook het vijfde jaar van waarnemingen van start gaan.

Met nog betere gegevens, zeiden de onderzoekers, misschien komen we erachter of het relatief eenvoudige Lambda-CDM-model moet worden aangepast.

"De methoden die voor DES zijn ontwikkeld en de ervaring die de onderzoekers gaandeweg opdoen, zullen ook de natuurlijke stroom van steeds evoluerende experimenten ten goede komen, " zei KIPAC-faculteitslid David Burke, hoofd van de DES-groep van SLAC.

Beide zullen wetenschappers voorbereiden op toekomstige onderzoeken, waaronder die met de Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Met zijn 3,2-gigapixel camera, die in aanbouw is bij SLAC, astrofysici zullen de diepten van ons universum kunnen verkennen als nooit tevoren.