Исследование темной энергии создает наиболее точную 3D-карту темной материи

В рамках проекта Dark Energy Survey камера DECam наблюдала сотни миллионов небесных объектов, что позволило ей создать самую большую и подробную карту распределения галактик на одной восьмой части неба. Используя половину данных этого исследования, ученые измерили состав и рост Вселенной с самой высокой на сегодняшний день точностью.

На вершине Серро-Тололо в Чили, на высоте 2200 метров над уровнем моря, в Межамериканской обсерватории находится 4-метровый телескоп Национального научного фонда Виктора М. Бланко. На этом небольшом телескопе в течение шести лет была установлена камера для изучения темной энергии. Цифровая камера высокого разрешения позволяла получать высокочувствительные изображения в красной части видимого спектра и в ближней инфракрасной области.

Именно этот мощный объект исследователи использовали в рамках программы Dark Energy Survey (DES) - наблюдательной кампании, целью которой является изучение структуры Вселенной в больших масштабах. Имея лишь половину данных этого очень подробного исследования, исследователи смогли получить важные результаты в изучении темной материи и темной энергии.

Камера темной энергии (DECam), использованная для обзора DES, является одной из самых мощных цифровых камер в мире. Она была разработана специально для DES, но используется для программ, охватывающих широкий спектр различных наук, а не только космологию. Архив научных данных камеры поддерживается Общественным центром науки и данных, программой NOIRLba.

В течение шести лет, с 2013 по 2019 год, DES занимал 30% времени на телескопе Бланко, откуда он наблюдал почти восьмую часть всего неба за 758 ночей наблюдений. Таким образом, он каталогизировал сотни миллионов небесных объектов. Впоследствии данные исследования были обработаны в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Университете штата Иллинойс.

Только за первые три года DECam обнаружил 226 миллионов галактик за 345 ночей, что позволило создать крупнейшие и наиболее точные карты распределения галактик в близлежащей Вселенной. Они дают очень подробную картину современной крупномасштабной структуры Вселенной, но не только это. Поскольку DES запечатлел как близлежащие галактики, так и галактики, удаленные на миллиарды световых лет, снимок хранит секреты эволюции космической структуры за последние 7 миллиардов лет.

Структура Вселенной с беспрецедентной точностью

Исследователи сравнили результаты DES с результатами измерений космической обсерватории ЕКА "Планк" (Planck Surveyor). Планк изучил космическое фоновое излучение и использовал его, чтобы достичь ранней Вселенной всего через 380000 лет после Большого взрыва. Таким образом, его данные представляют собой портрет Вселенной 13 миллиардов лет назад и позволили обновить космологические модели того, как материя и темная материя эволюционировали до наших дней.

Сравнение двух исследований показало, что DES обеспечивает наиболее мощную проверку лучшей на сегодняшний день модели Вселенной. Фактически, его данные позволили команде определить плотность и агрегацию Вселенной с беспрецедентной точностью. Результаты оказались согласующимися с предсказаниями стандартной космологической модели. Однако даже в DES есть указания, как и в нескольких предшествовавших ему исследованиях, что сегодняшняя Вселенная менее нерегулярна, чем предсказывалось.

Количественная оценка темной материи и темной энергии

Мы знаем, что обычная материя составляет лишь около 5% Вселенной. Напротив, темная энергия, которая, по мнению космологов, является движущей силой ускоренного расширения Вселенной, занимает 70% ее площади. Оставшиеся 25% - это темная материя.

И темная материя, и темная энергия называются так потому, что они не испускают и не удерживают электромагнитное излучение, поэтому мы не можем их увидеть. DES пытается понять их природу, изучая, как они оба действуют на структуру Вселенной с течением времени.

Для того чтобы количественно оценить распределение темной материи и влияние темной энергии, DES опирался на два явления:

• В больших масштабах распределение галактик не является случайным. Они расположены на структуре, напоминающей паутину, так называемой космической паутине, созданной гравитационным воздействием темной материи. Измеряя эволюцию космической паутины на протяжении всей истории Вселенной, DES выявил регионы с более высокой плотностью темной материи.
• Благодаря гравитации, наличие больших скоплений материи отклоняет свет от удаленных объектов, искажая их изображение и создавая эффект гравитационного линзирования. Изучая кажущееся выравнивание далеких галактик и близлежащих галактик по данным DES, исследователи смогли сделать вывод о скоплении темной материи во Вселенной.

Что еще мы можем ожидать от DES?

Методы изучения космической структуры, разработанные командой молодых исследователей DES, прокладывают путь для будущих небесных обзоров, таких как Обсерватория Веры К. Рубин. "DES на телескопе Бланко заложил основу для необычных открытий, которые произойдут в течение следующего десятилетия", — говорит Крис Дэвис, директор программы NOIRLab в NSF.

DES завершил свои наблюдения за ночным небом в 2019 году. Благодаря опыту, полученному при анализе данных за первые три года, команда теперь готова к работе с полным набором данных. Окончательный анализ должен дать нам еще более точный портрет нашей Вселенной. Даже о ее темной стороне, то есть о том, что мы не в состоянии увидеть.