Η κατανομή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν χαρτογραφήθηκε πιο πίσω στον χρόνο από ποτέ

Η σκοτεινή ύλη είναι μια υποθετική μορφή ύλης που θα πρέπει να υπερτερεί της κανονικής ουσίας που μας κάνει κατά πέντε προς ένα. Είναι αόρατο στα όργανα μας και τα αποτελέσματά του μπορούν να παρατηρηθούν μόνο μέσω της βαρύτητας. Μια τυπική προσέγγιση μετρά την κατανομή του εξετάζοντας πώς η παρουσία του παραμορφώνει το φως μακρινών γαλαξιών. Αυτή η μέθοδος, αν και αποτελεσματική, έχει περιορισμούς στο πόσο πίσω μπορεί να κοιτάξει στο παρελθόν:έως και 8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν στις περισσότερες περιπτώσεις. Τώρα αυτό μόλις επεκτάθηκε σε 12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Ογκώδη αντικείμενα παραμορφώνουν το χωροχρόνο γύρω τους, λυγίζοντας το φως για να λειτουργήσει σαν φακός σε μακρινά αντικείμενα πίσω τους. Τα μεγαλύτερα μπορούν να δημιουργήσουν εντυπωσιακές εικόνες μακρινών γαλαξιών με φακό. Τα μικρότερα δημιουργούν μικρότερες παραμορφώσεις, αλλά μετρώντας τες, μπορούμε να ανακατασκευάσουμε ακριβώς την κατανομή της μάζας σε έναν γαλαξία με φακό. Με αυτόν τον τρόπο, οι αστρονόμοι μπορούν να δουν την αόρατη σκοτεινή ύλη.

Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί εφόσον έχετε πολλούς φωτεινούς γαλαξίες φόντου και οι γαλαξίες προσεγγίζουν το φως τους πιο κοντά μας. Για αυτόν τον λόγο, κοιτάζοντας βαθύτερα στο σύμπαν – τόσο πιο μακριά στο παρελθόν – δημιουργείται ένα όριο:οι πρώτοι γαλαξίες σχηματίστηκαν μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και δεν ήταν τόσο φωτεινοί.

Αναφέροντας στο Physical Review Letters, μια συνεργασία με επικεφαλής τους επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια προσέγγισε την ίδια μέθοδο με έναν νέο τρόπο, αποκαλύπτοντας την κατανομή της σκοτεινής ύλης γύρω από τους γαλαξίες πριν από 12 δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν αναζήτησαν να παραμορφωθεί το φως των μακρινών γαλαξιών, αλλά αντίθετα κοίταξαν το πρώτο φως στο σύμπαν:το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB).

Το CMB είναι μια εκπομπή που διαπερνά όλο τον κόσμο. Περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν τελικά αρκετά δροσερό ώστε το φως να κινείται χωρίς να απορροφάται από την ύλη. Έτσι, αυτό το φως ήταν ελεύθερο. Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, το μήκος κύματός του έχει τεντωθεί μέχρι τα μικροκύματα, αλλά εξακολουθεί να επηρεάζεται από τη βαρύτητα μεγάλων αντικειμένων. Έτσι, μετρώντας το φακό στο CMB, οι ερευνητές μπόρεσαν να ωθήσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης πιο πίσω στο χρόνο και βαθύτερα στο διάστημα.

«Κοιτάξτε τη σκοτεινή ύλη γύρω από μακρινούς γαλαξίες; «Ήταν μια τρελή ιδέα. Κανείς δεν κατάλαβε ότι μπορούσαμε να το κάνουμε αυτό», δήλωσε ο καθηγητής Masami Ouchi του Πανεπιστημίου του Τόκιο, ο οποίος έκανε πολλές από τις παρατηρήσεις, σε μια δήλωση.

"Αλλά αφού έδωσα μια ομιλία για ένα μεγάλο μακρινό δείγμα γαλαξία, ο Hironao [Miyatake, επικεφαλής της έρευνας] ήρθε σε εμένα και είπε ότι μπορεί να είναι δυνατό να δούμε τη σκοτεινή ύλη γύρω από αυτούς τους γαλαξίες με το CMB."

«Οι περισσότεροι ερευνητές χρησιμοποιούν γαλαξίες πηγής για να μετρήσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης από το παρόν έως πριν από 8 δισεκατομμύρια χρόνια», πρόσθεσε ο Επίκουρος Καθηγητής Yuichi Harikane του Ινστιτούτου Έρευνας Κοσμικών Ακτίνων στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. «Ωστόσο, θα μπορούσαμε να κοιτάξουμε πιο πίσω στο παρελθόν επειδή χρησιμοποιήσαμε το πιο απομακρυσμένο CMB για να μετρήσουμε τη σκοτεινή ύλη. Για πρώτη φορά, μετρούσαμε τη σκοτεινή ύλη σχεδόν από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος."

Το πιο ενδιαφέρον εύρημα είναι η μέτρηση της συσσωμάτωσης της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας ή Lambda-CDM, το οποίο στηρίζει την κατανόησή μας για το σύμπαν, η σκοτεινή ύλη σχηματίζει περιοχές υπερπυκνότητας όπου με την πάροδο του χρόνου σχηματίζονται γαλαξίες. Ωστόσο, η μέτρηση της ασυμφωνίας σε αυτή τη μελέτη είναι χαμηλότερη από ό,τι προβλέπεται από τη θεωρία.

"Το εύρημα μας είναι ακόμα αβέβαιο", είπε ο Miyatake, από το Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια. "Αλλά αν είναι αλήθεια, θα υποδηλώνει ότι ολόκληρο το μοντέλο είναι ελαττωματικό καθώς πηγαίνετε πιο πίσω στο χρόνο. Αυτό είναι συναρπαστικό γιατί αν το αποτέλεσμα κρατήσει μετά την οι αβεβαιότητες μειώνονται, θα μπορούσε να προτείνει μια βελτίωση του μοντέλου που μπορεί να παρέχει πληροφορίες για τη φύση της ίδιας της σκοτεινής ύλης."

«Σε αυτό το σημείο, θα προσπαθήσουμε να πάρουμε καλύτερα δεδομένα για να δούμε αν το μοντέλο Lambda-CDM είναι πραγματικά σε θέση να εξηγήσει τις παρατηρήσεις που έχουμε στο σύμπαν», δήλωσε ο Andrés Plazas Malagón, συνεργάτης ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον. "Και η συνέπεια μπορεί να είναι ότι πρέπει να επανεξετάσουμε τις υποθέσεις που προέκυψαν σε αυτό το μοντέλο."

Η ομάδα χρησιμοποίησε δεδομένα από το παρατηρητήριο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας για το CMB και παρατηρήσεις από το Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC). Μόνο το ένα τρίτο των δεδομένων HSC έχει αναλυθεί, επομένως η ομάδα εργάζεται τώρα για να το ολοκληρώσει.