Астрофізики прояснили 11 мільярдів років історії розширення Всесвіту

news 22 07 20Астрономи, які виконують Слоанівський цифровий огляд неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), оприлюднили 19 липня 2020 року всебічний аналіз найбільшої тривимірної мапи Всесвіту, що була коли-небудь створена раніше. Ця мапа дає змогу заповнити найсуттєвіші прогалини в результатах наших досліджень еволюції Всесвіту.

«Ми досить добре знаємо як давню, так і недавню, історію розширення Всесвіту, але в середині 11 мільярдів років є пробіл», — сказав космолог Кайл Доусон (Kyle Dawson) з Університету штату Юта, який очолює наукову групу, що оголосила ці результати. «П’ять років ми працювали над тим, щоб заповнити цю прогалину. Здобута інформація дає нам змогу отримати деякі доволі значні результати в космології за останнє десятиліття».

Цього вдалося досягти завдяки розширеному спектроскопічному огляду баріонних осциляцій (extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS), який виконує міжнародна група астрофізиків (понад 100 науковців). Огляд є одним із складових SDSS. Основа нових результатів — докладні вимірювання понад двох мільйонів галактик і квазарів, що охоплюють 11 мільярдів років існування Всесвіту.

news 22 07 20 1vМапа нашого всесвіту, створену на основі даних Слоанівського цифрового огляду неба (Sloan Digital Sky Surve, SDSS). Земля міститься в її центрі. Кольорами веселки показано ділянки простору, оглянуті в різні роки. Зовнішня сфера, що обмежує спостережуваний Всесвіт, показує космічний мікрохвильовий фон (Cosmic Microwave Background) чи реліктове випромінювання. На вставках для кожного кольорового розділу мапи показано зображення типової галактики чи квазара для цього етапу розвитку Всесвіту, а також сигнал від структури об’єкта, який науковці eBOSS там виміряли. Мапа охоплює 11 мільярдів років з усього часу існування Всесвіту, який становить за нинішніми оцінками близько 13,8 млрд років. Спостерігаючи віддалені об’єкти, ми озираємося назад у часі. Отже, завдяки сигналам з різних «глибин» Всесвіту, можна визначати швидкість його розширення в різні часи космічної історії. Фото з сайту https://phys.org.

Яким був Всесвіт на початку його історії ми знаємо завдяки дослідженням багатьох науковців з усього світу, що визначили відносний вміст елементів, утворених незабаром після Великого Вибуху, і також тих, які вивчали космічний мікрохвильовий фон. Завдяки вимірюванню відстаней, зокрема і на попередніх етапах SDSS, ми також знаємо історію розширення Всесвіту протягом останніх кількох мільярдів років.

«Докладний аналіз мапи eBOSS та результати, отримані SDSS раніше, в сукупності тепер дають найточніші вимірювання процесу розширення за найширший діапазон космічного часу», — сказав Вілл Персіваль (Will Percival) з Університету Ватерлоо, науковий співробітник eBOSS. «Ці дослідження дозволяють нам об’єднати всі ці вимірювання в повну історію розширення Всесвіту».

Уважний погляд на мапу розкриває нитки та порожнечі, які визначають структури у Всесвіті, починаючи з часу, коли йому було лише близько 300 000 років. На цій мапі дослідники виявляють особливості розподілу галактик, які дають змогу визначити кілька ключових параметрів нашого Всесвіту з точністю трохи більшою, ніж один відсоток. Сигнали від цих особливостей показано вставками на зображенні мапи.

Оприлюднена мапа — це результат картографування Всесвіту, що триває понад 20 років, за допомогою телескопа фонду Sloan. Космічна історія, яку розкриває мапа, показує, що близько шести мільярдів років тому розширення Всесвіту почало прискорюватися і з того часу відбувається все швидше й швидше. Це прискорене розширення, згідно з сучасними уявленнями, можна пояснити дією загадкової невидимої складової Всесвіту, яку називають «темна енергія». Її існування відповідає загальній теорії відносності Айнштайна, але цю субстанцію надзвичайно складно узгодити з нашим сучасним розумінням фізики елементарних частинок.

Поєднання спостережень від eBOSS з дослідженням Всесвіту в його початковому стані виявляє «тріщини» на цій картині нашого Світу. Зокрема, вимірювання колективом eBOSS поточної швидкості розширення Всесвіту («стала Габбла») дають значення, що приблизно на 10 відсотків менше, ніж значення, знайдене з вимірювань відстаней до відносно близьких галактик. Висока точність даних eBOSS означає: малоймовірно, що ця невідповідність є ​​випадковою. Велика кількість і різноманітність даних eBOSS дає кілька незалежних способів зробити той самий висновок.

news 22 07 20 2v

Це зображення ілюструє, як мапи eBOSS та SDSS змінювали наше розуміння поточної швидкості розширення та кривизни Всесвіту за останні 20 років досліджень. Сіра ділянка показує наші знання 10 років тому. Синя ділянка — це найкращі вимірювання, які поєднують SDSS та інші програми. Зменшення розмірів кольорових ділянок показує, як покращилися наші знання про швидкість розширення. Внесок даних SDSS у це покращення показує червона ділянка. На горизонтальній осі відкладено значення кривизни Всесвіту. Результати SDSS, що лежать ліворуч і праворуч від нуля, свідчать: Всесвіт є плоским. Визначення значення кривизни вдалося суттєво покращити, врахувавши дані інших спостережень. На вертикальній вісі відкладено поточну швидкість розширення Всесвіту (стала Габбла). Її значення, отримане в SDSS та інших оглядах, несумісне з тим, яке вимірюють зі спостережень відносно близьких до Землі галактик. У яких її значення, близькі до 74, — на відміну від 68 для SDSS. Тільки за даними, отриманими з SDSS та в інших оглядах неба за останнє десятиліття, вдалося виявити цю невідповідність. Фото з сайту https://phys.org.

«Тільки з такими мапами, як наша, ви можете точно сказати, що у визначенні сталої Габбла є невідповідність», — сказала Єва-Марія Мюллер (Eva-Maria Mueller) з Оксфордського університету, яка аналізувала дані для її інтерпретації з повною вибіркою SDSS. «Найновіші мапи з eBOSS показують це чіткіше, ніж будь-коли раніше».

Не існує загальновизнаного пояснення цієї невідповідності у виміряних значеннях швидкості розширення, але одна захоплива можливість полягає в тому, що раніше невідома форма матерії або енергії з раннього Всесвіту могла залишити слід в його історії.

Загалом група науковців eBOSS оприлюднила результати у понад 20 наукових статтях. В цих публікаціях на понад 500 сторінках подано опис виконаного науковцями аналізу останніх даних eBOSS, що свідчить про досягнення головних цілей огляду.

У загальній групі eBOSS окремі локальні групи науковців з різних університетів світу зосереджували увагу на різних аспектах аналізу. Для створення частини мапи, що відповідає відтинку часу в шість мільярдів років, група використовувала великі, червоні галактики. Для частини мапи, що відображає більш ранній етап розвитку Всесвіту, дослідники використовували блакитні галактики. Нарешті, для відображення Всесвіту, коли його вік становим близько 3 млрд років, тобто одинадцять мільярдів років тому, було використано квазари — яскраві галактики, освітлені речовиною, що падає на центральну надмасивну чорну діру. Кожен із цих зразків потребував ретельного аналізу, щоб видалити завади спостережень та виявити закономірності Всесвіту.

«Комбінуючи дані SDSS з даними про космічний мікрохвильовий фон, наднові й даними, отриманими під час виконання інших програм, ми можемо одночасно вимірювати багато фундаментальних властивостей Всесвіту», — сказала Мюллер. «Дані SDSS охоплюють такий великий відтинок космічного часу, що вони є найкращими, як порівняти з даними від будь-якого зонда для вимірювання геометричної кривизни Всесвіту, за умови, що наш всесвіт плоский. Вони також дозволяють вимірювати локальну швидкість розширення з точністю, яка вище, ніж один відсоток».

Проєкти eBOSS та SDSS загалом залишають загадку темної енергії та невідповідність розширення раннього і локального, тобто теперішнього, Всесвіту як спадщину для майбутніх проектів. У наступному десятилітті нові огляди неба можуть розгадати загадку або, можливо, виявлять ще більше незвичного.

Тим часом, за постійної підтримки Фонду Альфреда Слоана та учасників консорціуму, SDSS буде продовжуватися. Карен Мастерс (Karen Masters) з Гаверфордського коледжу, представник нинішнього етапу SDSS, розповіла про свій азарт щодо наступної фази. «Телескоп Фонду Слоана та його близнюк в обсерваторії Лас Кампанас будуть виконувати астрономічні спостереження, які відображають мільйони зір і чорних дір та їхню зміну й розвиток протягом космічного часу». Наукова група SDSS зайнята створенням обладнання, щоб почати новий етап огляду і з нетерпінням чекає нових відкриттів у наступні 20 років.

За інф. з сайту https://phys.org

Докладніше про «Наше небо»

Це науково-популярний астрономічний інтернет-журнал для широкого загалу, створений у 2016 році. Назва «НАШЕ НЕБО» виникла у 1998 р. під час обговорення з директором Головної астрономічної обсерваторії Національної академії наук України академіком Я.С. Яцківим ідеї щодо заснування Київським республіканським планетарієм науково-популярного видання астрономічного змісту.

Упродовж 2006—2009 рр. я видавав малим накладом журнал «НАШЕ НЕБО.observer», а з 2010 р. веду блог «Ми і Всесвіт». Далі науково-популярні матеріали вміщуватиму головно на цьому сайті.

Іван Крячко

Написати електронний лист

Ви маєте змогу написати електронного листа з будь-якого питання щодо астрономії та інтернет-журналу «Наше небо»

Дякуємо за Вашу увагу до «Нашого неба»!

Please publish modules in offcanvas position.