Das erste Licht im Universum hilft beim Aufbau einer Karte der Dunklen Materie

In den 1960er Jahren bemerkten Astronomen einen durchdringenden Mikrowellenhintergrund, der in alle Richtungen sichtbar war. Danach als Cosmic Microwave Background (CMB) bekannt, bestätigte die Existenz dieser Reliktstrahlung die Urknalltheorie, die besagt, dass alle Materie auf einen einzigen Punkt von unendlicher Dichte und extremer Hitze kondensiert wurde, der sich ca. Vor 13,8 Milliarden Jahren.

Durch die Messung des CMB für die Rotverschiebung und den Vergleich dieser mit lokalen Entfernungsmessungen (unter Verwendung von variablen Sternen und Supernovae) haben Astronomen versucht, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich das Universum ausdehnt.

Etwa zur gleichen Zeit beobachteten Wissenschaftler, dass die Rotationskurven von Galaxien viel höher waren, als ihre sichtbare Masse vermuten ließ. Das bedeutete, dass entweder Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie falsch war oder das Universum mit einer mysteriösen, unsichtbaren Masse gefüllt war.

In einer neuen Reihe von Artikeln haben Mitglieder der Kollaboration mit dem Atacama Cosmology Telescope (ACT) das Hintergrundlicht des CMB verwendet, um eine neue Karte der Verteilung der Dunklen Materie zu erstellen, die ein Viertel des Himmels bedeckt und sich tief in den Kosmos erstreckt. Diese Karte bestätigt die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre Vorhersagen darüber, wie Masse die Krümmung der Raumzeit verändert.

Das ACT ist ein internationales Konsortium aus mehr als 160 Wissenschaftlern aus den USA, Großbritannien, Kanada, Frankreich, Deutschland, Italien, Chile, der Schweiz, Japan, Südafrika und dem Goddard Space Flight Center der NASA.

Ihr Ziel ist es, verbesserte Messungen von Parametern bereitzustellen, die das sehr frühe Universum beschreiben, indem sie das Licht überwachen, das während der „Cosmic Dawn“ (als das Universum nur 380.000 Jahre alt war) auftrat, das heute als CMB sichtbar ist. Durch den Vergleich mit Messungen des lokalen Universums hoffen Astronomen und Kosmologen, mehr darüber zu erfahren, wie es sich entwickelt hat.

Nach dem vorherrschenden kosmologischen Modell – dem Lambda Cold Dark Matter (LCDM)-Modell – macht Dunkle Materie 85 % der Masse im Kosmos aus. Leider interagiert es nicht mit normaler („leuchtender“) Materie über elektroschwache oder starke Kernkräfte, sondern nur über die Schwerkraft (die schwächste der Grundkräfte). Um diese illusorische und „unsichtbare“ Masse aufzuspüren, nutzt die ACT-Kollaboration das Atacama Cosmology Telescope (ACT), ein speziell angefertigtes Sechs-Meter-Millimeterwellen-Teleskop am Llano de Chajnantor-Observatorium im Norden Chiles .

Wie sie in ihren drei neuen Artikeln beschreiben, die zur Veröffentlichung in geplant sind Das Astrophysikalische Journalstützte sich das Team auf Daten aus Data Release 6 (DR6) von ACT, die aus fünf Jahreszeiten von CMB-Temperatur- und Polarisationsbeobachtungen bestanden. Diese Lichtmesswerte wurden im Wesentlichen dazu verwendet, die gesamte Materie zwischen dem heutigen Tag und dem Urknall (vor etwa 13,8 Milliarden Jahren) zu hinterleuchten. Suzanne Staggs, Henry-DeWolf-Smyth-Professorin für Physik an der Princeton University und Direktorin von ACT, sagte:

„Es ist ein bisschen wie Silhouetten, aber anstatt nur Schwarz in der Silhouette zu haben, haben Sie Textur und Klumpen dunkler Materie, als ob das Licht durch einen Stoffvorhang strömen würde, der viele Knoten und Unebenheiten darin hat. Das berühmte Blau und Das gelbe CMB-Bild ist eine Momentaufnahme dessen, wie das Universum in einer einzigen Epoche vor etwa 13 Milliarden Jahren aussah, und jetzt liefert uns dies die Informationen über alle Epochen seitdem.

Das Bild, auf das hier angespielt wird, ist das berühmte Ganzhimmelbild, das auf Daten basiert, die von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) zwischen 2001 und 2003 gesammelt wurden. Diese Mission (die bis 2010 in Betrieb blieb) baute auf der früheren Arbeit des Cosmic Background Explorer auf (COBE), die von 1989 bis 1993 Daten über die CMB sammelte.

Dann kam der Planck-Satellit der ESA, der den CMB von 2009 bis 2013 vermaß, um winzige Temperaturschwankungen abzubilden. Die daraus resultierenden immer genaueren Karten haben einen Einblick in die Entwicklung des Kosmos gegeben, indem sie gezeigt haben, was seine Anfangsbedingungen waren.

Diese neueste Karte hat diese Forschung einen Schritt weitergebracht, indem sie verwendet wurde, um zu messen, wie sich die Struktur der Materie seitdem entwickelt hat, von der 85% Dunkle Materie ist. Um das Vorhandensein und die Verteilung dieser mysteriösen Masse zu visualisieren, untersuchte das Forschungsteam, wie sich ihre Schwerkraft auf die Krümmung der Raumzeit zwischen dem CMB und der Erde auswirkte. Dies zeigte effektiv, wie große Ansammlungen von Masse (sowohl sichtbar als auch unsichtbar) den Weg veränderten, dem sein Licht folgte, als es Milliarden von Lichtjahren (und Milliarden von Jahren) zurücklegte, um uns zu erreichen.

Das Team verfolgte, wie die Anziehungskraft massiver Strukturen aus dunkler Materie das CMB auf seiner 14 Milliarden Jahre langen Reise zu uns verzerren kann, genauso wie antike, klumpige Fenster verbiegen und verzerren, was wir durch sie sehen können. Die resultierende Karte enthüllte das „Gerüst“ der Dunklen Materie, das sichtbare Materie enthält und Galaxien und Galaxienhaufen umgibt und verbindet.

Dies führte zu der großräumigen Struktur des Universums (oft als „kosmisches Netz“ bezeichnet), die auf dem Bild deutlich zu sehen ist. Die Karte bricht auch mit Konventionen, indem sie die Verteilung der Materie in unserem Universum nicht in Bezug auf Licht, sondern in Bezug auf Masse misst.

Sagte Co-Autor Blake Sherwin, ein 2013 Ph.D. Alumnus von Princeton und Professor für Kosmologie an der University of Cambridge (wo er die ACT-Forschungsgruppe leitet):

„Wir haben die unsichtbare Verteilung dunkler Materie über den Himmel kartiert, und es ist genau so, wie unsere Theorien es vorhersagen. Dies ist ein verblüffender Beweis dafür, dass wir die Geschichte verstehen, wie sich die Struktur in unserem Universum über Milliarden von Jahren gebildet hat, von kurz nach dem Urknall bis.“ heute. Bemerkenswerterweise sind 80 % der Masse im Universum unsichtbar. Indem wir die Verteilung der Dunklen Materie über den Himmel bis in die größten Entfernungen abbilden, ermöglichen uns unsere ACT-Linsenmessungen, diese unsichtbare Welt klar zu sehen.“

„Wir haben eine neue Massenkarte erstellt, die Verzerrungen des Lichts verwendet, die vom Urknall übrig geblieben sind“, sagte Princeton-Assistenzprofessor Mathew Madhavacheril, ein Princeton-Postdoc von 2016 bis 2018 und Hauptautor einer der Arbeiten. „Bemerkenswerterweise liefert es Messungen, die zeigen, dass sowohl die ‚Klumpigkeit‘ des Universums als auch die Geschwindigkeit, mit der es nach 14 Milliarden Jahren Evolution wächst, genau das sind, was man von unserem Standardmodell der Kosmologie auf der Grundlage von Einsteins Theorie erwarten würde der Schwerkraft.“

Mark Devlin, Reese-Flower-Professor für Astronomie an der University of Pennsylvania und stellvertretender Direktor von ACT, war einer von wenigen Forschern, die das Potenzial für dieses Experiment bereits Anfang der 2000er Jahre erkannten. „Als wir dieses Experiment im Jahr 2003 vorschlugen, hatten wir keine Vorstellung vom vollen Umfang der Informationen, die von unserem Teleskop extrahiert werden könnten“, sagte er. „Das verdanken wir der Klugheit der Theoretiker, den vielen Menschen, die neue Instrumente gebaut haben, um unser Teleskop empfindlicher zu machen, und den neuen Analysetechniken, die unser Team entwickelt hat.“

Ihre Ergebnisse könnten auch neue Einblicke in die sogenannte „Krise in der Kosmologie“ liefern, bei der Lichtmessungen mit dem CMB im Vergleich zu lokalen Sternen unterschiedliche Werte ergeben. Auch als „Hubble-Spannung“ bekannt, deutet diese Ungleichheit darauf hin, dass Dunkle Materie nicht „klumpig“ genug war und dass das Standardmodell der Kosmologie (LCDM) möglicherweise falsch ist. Die neuesten Ergebnisse des ACT-Teams bewerteten jedoch die Größe und Verteilung dieser Klumpen genau und stellten fest, dass sie perfekt mit dem LCDM-Modell übereinstimmen. Staggs, dessen Team die Detektoren gebaut hat, die die Daten in den letzten fünf Jahren gesammelt haben, glaubt, dass ihre neue Karte diese „Krise“ in eine Chance verwandeln könnte:

„Das CMB ist bereits berühmt für seine beispiellosen Messungen des ursprünglichen Zustands des Universums, daher sind diese Linsenkarten, die seine nachfolgende Entwicklung beschreiben, fast eine Peinlichkeit des Reichtums. Wir haben jetzt eine zweite, sehr ursprüngliche Karte des Universums eine „Krise“, ich denke, wir haben eine außergewöhnliche Gelegenheit, diese verschiedenen Datensätze zusammen zu verwenden. Unsere Karte enthält die gesamte dunkle Materie, die bis zum Urknall zurückreicht, und die anderen Karten blicken etwa 9 Milliarden Jahre zurück und geben uns das eine Schicht, die uns viel näher ist. Wir können die beiden vergleichen, um mehr über das Wachstum von Strukturen im Universum zu erfahren. Ich denke, es wird sich als wirklich interessant herausstellen. Dass die beiden Ansätze unterschiedliche Messungen erhalten, ist faszinierend.“

Obwohl das ACT im September 2022 (nach 15 Jahren Betrieb) außer Betrieb genommen wurde, inspirieren die gesammelten Daten immer noch zu neuen Forschungen und Durchbrüchen. Weitere Papiere, die Ergebnisse aus der letzten Reihe von Beobachtungen im DR6 präsentieren, werden in Kürze erwartet, und das Simons Observatory wird zukünftige Beobachtungen aus derselben Sicht durchführen. Diese werden mit einem neuen Teleskop durchgeführt, das 2024 in Betrieb gehen soll und den Himmel fast zehnmal so schnell kartieren kann wie das ACT. Vielleicht können wir uns auf Himmelsdurchmusterungen freuen, die die Verteilung der Dunklen Materie abbilden, die bis zu den Anfängen des Kosmos zurückreicht.

Die drei Papiere werden auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.