Досліджуючи ледь помітні спотворення форм галактик на величезній ділянці неба, вчені змогли зазирнути в приховану структуру Всесвіту. У стандартній картині Всесвіту майже все приховане від безпосереднього спостереження. Близько 95 відсотків космосу складають темна матерія та темна енергія — субстанції, які неможливо побачити напряму і які досі залишаються не до кінця зрозумілими.
Попри це, вони відіграють ключову роль у формуванні Всесвіту: темна матерія впливає на утворення галактик завдяки гравітації, а темна енергія змушує розширення простору прискорюватися. Вчені вивчають ці невидимі компоненти, відстежуючи їхній вплив на видимі об’єкти. Саме таким підходом скористалися дослідники з Університету Чикаго, які проаналізували ці ефекти на новій, раніше не дослідженій ділянці неба.
Картографування темного Всесвіту
У період з 2013 по 2019 роки Огляд темної енергії (Dark Energy Survey, DES) збирав спостереження за допомогою камери Dark Energy Camera (DECam), встановленої на 4-метровому телескопі Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро-Тололо в Чилі. Використовуючи цей інструмент, науковці з високою точністю виміряли форми понад 150 мільйонів галактик, розташованих на площі близько 5 000 квадратних градусів — приблизно восьмої частини всього неба. Ця детальна карта допомагає краще зрозуміти розподіл матерії у Всесвіті та поведінку темної енергії.
Дані DES також відіграли важливу роль у вивченні нещодавніх питань, пов’язаних із провідною космологічною моделлю — моделлю ΛCDM (лямбда-CDM). Деякі вимірювання ближнього Всесвіту, отримані з оглядів галактик на кшталт DES, виявляються дещо відмінними від даних про ранній Всесвіт, які походять із космічного мікрохвильового фону (CMB) — реліктового випромінювання після Великого вибуху.
Окрім основної програми спостережень, DECam також робила знімки великих ділянок за межами офіційних кордонів DES. У новій серії досліджень, опублікованих у Open Journal of Astrophysics, вчені з Університету Чикаго використали ці додаткові дані, майже подвоївши кількість галактик із точно виміряними формами.
Розширений набір даних охоплює тисячі квадратних градусів за межами початкової зони DES. Хоча ці спостереження спочатку не планувалися для досліджень слабкого гравітаційного лінзування, команда показала, що їх можна використати для незалежної перевірки розбіжностей у межах моделі ΛCDM.
Спотворення і відстань
Гравітаційне лінзування — викривлення світла масивними об’єктами — є ключовим методом для визначення кількості матерії та її розподілу у Всесвіті, а також для вивчення взаємодії темної матерії, звичайної матерії та темної енергії, пояснив Чіхвей Чан, доцент кафедри астрономії та астрофізики й керівник проєкту DECADE зі слабкого гравітаційного лінзування.
У разі слабкого лінзування форма галактик, які ми спостерігаємо із Землі, здається трохи спотвореною, оскільки їхнє світло проходить крізь і повз матерію Всесвіту. Цей ефект настільки слабкий, що для його виявлення потрібен статистичний аналіз.
«Вимірювання слабкого лінзування найкраще підходять для дослідження “грудкуватості” матерії», — зазначив Дхаяя Анбаджагане, аспірант з астрономії та астрофізики і провідний аналітик проєкту DECADE. — «Кількісна оцінка цієї грудкуватості проливає світло на походження й еволюцію таких структур, як галактики та їхні скупчення. Це приблизно схоже на аналіз розподілу людей у регіоні, щоб зрозуміти рельєф місцевості або вік і розташування міст».
У межах проєкту команда виміряла форми понад 100 мільйонів галактик. Також було визначено їхні відстані шляхом вимірювання червоного зміщення — зсуву світла галактики до червоної частини спектра, що вказує на швидкість її віддалення. На основі цього обчислюється відстань до галактики.
Використовуючи ці дані, дослідники підігнали модель ΛCDM до спостережень. Це загальноприйнята стандартна модель космології, яка включає компоненти темної енергії, темної матерії, звичайної матерії, нейтрино та випромінювання. «Це добре перевірена модель, яка витримала численні перевірки протягом останніх десятиліть, і наші дані доповнюють цю історію», — зазначив Чан.
Дослідження DECADE показало, що зростання структур у Всесвіті узгоджується з передбаченнями моделі ΛCDM, підтверджуючи результати попередніх вимірювань слабкого лінзування. «Крім того, порівнюючи наші обмеження з тими, що отримані з CMB раннього Всесвіту, ми також бачимо хорошу відповідність», — додав Чан. — «Це питання було предметом дискусій протягом останніх п’яти років, і наші нові результати свідчать про відсутність напруження між даними слабкого лінзування та CMB».
«Ми також змогли об’єднати вимірювання лінзування DECADE з даними DES, отримавши аналіз, що використовує найбільшу на сьогодні кількість галактик — 270 мільйонів — і охоплює найширшу ділянку неба, 13 000 квадратних градусів», — сказав Анбаджагане. — «Завдяки такому обсягу даних ми можемо дозволити собі дуже консервативні підходи до аналізу і все одно досягати достатньої точності для змістовних порівнянь із CMB».
«Нетрадиційний огляд слабкого лінзування»
Проєкт DECADE незалежно перевіряє узгодженість між даними CMB і слабкого лінзування на зовсім іншій, але за розмірами подібній до DES ділянці неба. Проте на початку проєкту не було очевидно, що набір даних DECADE буде достатньо якісним для космологічного аналізу, зазначив Алекс Дрліца-Вагнер, науковець Fermilab і доцент Університету Чикаго, який керував спостережною кампанією. «Ми показали, що він справді може дати надійні результати», — сказав він.
«Одним із унікальних результатів цієї роботи стали наші підходи до якості зображень», — додав Анбаджагане. Зазвичай огляди, спеціально орієнтовані на слабке лінзування, роблять сотні тисяч знімків протягом багатьох років, але значну їх частину відкидають через невідповідність критеріям якості. «Проєкт DECADE унікальний тим, що повторно використовує архівні дані — зображення, зняті для найрізноманітніших наукових цілей, — і застосовує значно м’якші критерії якості. Наше дослідження показує, що надійний аналіз лінзування можливий і без спеціалізованих кампаній зі зйомки».
Це може змінити підхід до майбутніх досліджень лінзування, зокрема в межах огляду Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST), дозволивши використовувати більше знімків і підвищити точність космологічних вимірювань. Значною мірою успіх DECADE у використанні архівних даних став можливим завдяки ретельному аналізу зображень, який очолював аспірант з фізики Чін Ї Тан.
Підсумковий каталог, об’єднаний із даними DES, охоплює близько третини неба (13 000 квадратних градусів) і містить інформацію про 270 мільйонів галактик. Цей каталог був оприлюднений для наукової спільноти восени й уже викликав значний інтерес серед космологів та астрономів. Зокрема, зображення використовуються для дослідження карликових галактик і побудови карт розподілу маси у Всесвіті. «Ми активно працюємо над застосуванням інших методів аналізу до наших даних разом із фахівцями з Інституту космологічної фізики Кавлі», — зазначив Анбаджагане.
До виконання аналізу DECADE об’єднали зусилля науковці з Університету Чикаго, Fermilab та NCSA при Університеті Іллінойсу, а також дослідники з Аргоннської національної лабораторії, Університету Вісконсину в Медісоні та багатьох інших установ у світі. «Було справді особливо мати всі ці різні компоненти поруч», — підсумував Чан. — «Це дало змогу вчитися одне в одного й привело до несподіваного, але чудового результату».
