Wetenschappers onthullen de verspreiding van donkere materie rond sterrenstelsels 12 miljard jaar geleden – verder terug

[univers]

Een samenwerking onder leiding van wetenschappers van de Nagoya University in Japan heeft de aard van donkere materie rond sterrenstelsels onderzocht zoals ze 12 miljard jaar geleden waren, miljarden jaren verder terug in de tijd dan ooit tevoren. Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters , bieden de verleidelijke mogelijkheid dat de fundamentele regels van de kosmologie kunnen verschillen bij het onderzoeken van de vroege geschiedenis van ons universum.

Iets zien dat zo lang geleden is gebeurd, is moeilijk. Vanwege de eindige lichtsnelheid zien we verre sterrenstelsels niet zoals ze nu zijn, maar zoals ze miljarden jaren geleden waren. Maar nog uitdagender is het observeren van donkere materie, die geen licht uitstraalt.


Het stralingsresidu van de oerknal, 12 miljard jaar geleden vervormd door donkere materie. CREDIT : Reiko Matsushita

Beschouw een verre bronmelkweg, zelfs verder weg dan de melkweg waarvan men de donkere materie wil onderzoeken. De aantrekkingskracht van het voorgrondstelsel, inclusief de donkere materie, vervormt de omringende ruimte en tijd, zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Terwijl het licht van het bronstelsel door deze vervorming reist, buigt het, waardoor de schijnbare vorm van het sterrenstelsel verandert. Hoe groter de hoeveelheid donkere materie, hoe groter de vervorming. Zo kunnen wetenschappers de hoeveelheid donkere materie rond het voorgrondstelsel (het 'lens'-stelsel) meten aan de hand van de vervorming.

Na een bepaald punt stuiten wetenschappers echter op een probleem. De sterrenstelsels in de diepste uithoeken van het heelal zijn ongelooflijk zwak. Als gevolg hiervan, hoe verder we van de aarde af kijken, hoe minder effectief deze techniek wordt. De lensvervorming is subtiel en in de meeste gevallen moeilijk te detecteren, dus er zijn veel achtergrondsterrenstelsels nodig om het signaal te detecteren.

De meeste eerdere onderzoeken zijn op dezelfde limieten blijven steken. Omdat ze niet genoeg verre bronstelsels konden detecteren om de vervorming te meten, konden ze alleen donkere materie analyseren van niet meer dan 8-10 miljard jaar geleden. Deze beperkingen lieten de kwestie van de verdeling van donkere materie tussen deze tijd en 13,7 miljard jaar geleden, rond het begin van ons heelal, open.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden en donkere materie tot in de verste uithoeken van het universum te observeren, heeft een onderzoeksteam onder leiding van Hironao Miyatake van de Universiteit van Nagoya, in samenwerking met de Universiteit van Tokyo, het National Astronomical Observatory of Japan en Princeton University, een andere bron gebruikt van achtergrondlicht, de microgolven die vrijkomen bij de oerknal zelf.

Ten eerste identificeerde het team met behulp van gegevens van de waarnemingen van de Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC) 1,5 miljoen lensstelsels met zichtbaar licht, geselecteerd om 12 miljard jaar geleden te worden gezien.

Om het gebrek aan melkweglicht nog verder weg te verhelpen, gebruikten ze vervolgens microgolven van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), het stralingsresidu van de oerknal. Met behulp van microgolven die zijn waargenomen door de Planck-satelliet van de European Space Agency, heeft het team gemeten hoe de donkere materie rond de lensstelsels de microgolven vervormde.

"Kijk naar donkere materie rond verre sterrenstelsels?" vroeg professor Masami Ouchi van de Universiteit van Tokio, die veel van de waarnemingen deed. “Het was een gek idee. Niemand realiseerde zich dat we dit konden doen. Maar nadat ik een lezing had gegeven over een groot monster van verre sterrenstelsels, kwam Hironao naar me toe en zei dat het mogelijk zou zijn om met de CMB naar donkere materie rond deze sterrenstelsels te kijken.”

"De meeste onderzoekers gebruiken bronstelsels om de distributie van donkere materie te meten van nu tot acht miljard jaar geleden", voegde assistent-professor Yuichi Harikane van het Institute for Cosmic Ray Research, Universiteit van Tokyo, toe. “We zouden echter verder terug in het verleden kunnen kijken omdat we de verder weg gelegen CMB hebben gebruikt om donkere materie te meten. Voor het eerst hebben we donkere materie gemeten vanaf bijna de vroegste momenten van het heelal.”

Na een voorlopige analyse realiseerden de onderzoekers zich al snel dat ze een monster hadden dat groot genoeg was om de verdeling van donkere materie te detecteren. Door het grote monster van verre sterrenstelsels en de lensvervormingen in CMB te combineren, ontdekten ze donkere materie zelfs verder terug in de tijd, van 12 miljard jaar geleden. Dit is slechts 1,7 miljard jaar na het begin van het heelal, en dus worden deze sterrenstelsels gezien kort nadat ze voor het eerst zijn gevormd.

"Ik was blij dat we een nieuw venster op dat tijdperk hebben geopend", zei Miyatake. "12 miljard jaar geleden waren de dingen heel anders. Je ziet meer sterrenstelsels in vorming dan nu; de eerste clusters van sterrenstelsels beginnen zich ook te vormen." Clusters van sterrenstelsels omvatten 100-1000 sterrenstelsels die door de zwaartekracht zijn gebonden met grote hoeveelheden donkere materie.

"Dit resultaat geeft een zeer consistent beeld van sterrenstelsels en hun evolutie, evenals de donkere materie in en rond sterrenstelsels, en hoe dit beeld met de tijd evolueert", zegt Neta Bahcall, Eugene Higgins Professor of Astronomy, professor in astrofysische wetenschappen, en directeur van niet-gegradueerde studies aan de Princeton University.

Een van de meest opwindende bevindingen van de onderzoekers was gerelateerd aan de klonterigheid van donkere materie. Volgens de standaardtheorie van de kosmologie, het Lambda-CDM-model, vormen subtiele fluctuaties in de CMB poelen van dicht opeengepakte materie door omringende materie door zwaartekracht aan te trekken. Hierdoor ontstaan ​​inhomogene klonten die sterren en sterrenstelsels vormen in deze dichte gebieden. De bevindingen van de groep suggereren dat hun klonterigheidsmeting lager was dan voorspeld door het Lambda-CDM-model.

Miyatake is enthousiast over de mogelijkheden. "Onze bevinding is nog steeds onzeker", zei hij. "Maar als het waar is, zou het erop wijzen dat het hele model gebrekkig is als je verder teruggaat in de tijd. Dit is opwindend, want als het resultaat standhoudt nadat de onzekerheden zijn verminderd, zou dit een verbetering van het model kunnen suggereren dat inzicht kan geven in de aard van donkere materie zelf.”

"Op dit moment zullen we proberen betere gegevens te krijgen om te zien of het Lambda-CDM-model daadwerkelijk in staat is om de waarnemingen die we in het universum hebben te verklaren", zegt Andrés Plazas Malagón, associate research scientist aan de Princeton University. "En het gevolg kan zijn dat we de aannames die in dit model zijn verwerkt, opnieuw moeten bekijken."

“Een van de sterke punten van het kijken naar het universum met behulp van grootschalige onderzoeken, zoals die in dit onderzoek zijn gebruikt, is dat je alles kunt bestuderen wat je in de resulterende afbeeldingen ziet, van nabijgelegen asteroïden in ons zonnestelsel tot de meest verre sterrenstelsels uit het vroege heelal. Je kunt dezelfde gegevens gebruiken om veel nieuwe vragen te onderzoeken", zegt Michael Strauss, professor en voorzitter van de afdeling Astrofysische Wetenschappen aan de Princeton University.

Deze studie maakte gebruik van gegevens die beschikbaar waren van bestaande telescopen, waaronder Planck en Subaru. De groep heeft slechts een derde van de Subaru Hyper Suprime-Cam Survey-gegevens beoordeeld. De volgende stap is het analyseren van de gehele dataset, wat een nauwkeurigere meting van de verdeling van donkere materie mogelijk moet maken. In de toekomst verwacht het team een ​​geavanceerde dataset zoals de Legacy Survey of Space and Time (LSST) van het Vera C. Rubin Observatory te gebruiken om meer van de vroegste delen van de ruimte te verkennen. "Met LSST kunnen we de halve lucht observeren", zei Harikane. "Ik zie geen reden waarom we de verdeling van donkere materie 13 miljard jaar geleden niet zouden kunnen zien."

https://www.eurekalert.org/news-releases/960312