Don Lincoln je stariji znanstvenik na američkom Odjelu za energetiku Fermilab, najvećoj istraživačkoj instituciji za velike hadronske sudare u zemlji. Piše i o znanosti za javnost, uključujući nedavne "Veliki hadronski sudarač: Izvanredna priča o Higgsovu Bosonu i drugim stvarima koje će vam raznijeti duh"(Johns Hopkins University Press, 2014). Možete ga pratiti daljeFacebook, Lincoln je ovaj članak pridonio časopisu Live ScienceGlasovi stručnjaka: Op-Ed i Uvidi.
Sve dok smo vodili evidenciju, čovječanstvo se divilo noćnom nebu. Pogledali smo u nebo kako bismo utvrdili volju bogova i pitali se o smislu svega toga. Punih 5000 zvijezda koje možemo vidjeti bespomoćnim očima bili su pratioci čovječanstva već tisućljećima.
Moderna astronomska postrojenja pokazala su da se svemir ne sastoji od samo nekoliko tisuća zvijezda - on se sastoji od stotina milijardi zvijezda u našoj galaksiji, sa trilijun galaksija. Opservatoriji su nas učili o rađanju i evoluciji svemira. 3. kolovoza, novi je objekt dao svoju prvu suštinsku najavu i dodao naše razumijevanje kosmosa. Omogućuje nam da vidimo nevidljivo, a pokazalo je da se raspodjela materije u svemiru malo razlikuje od očekivanja.
Istraživanje tamne energije (DES) je suradnja oko 400 znanstvenika koji su započeli petogodišnju misiju proučavanja udaljenih galaksija kako bi odgovorili na pitanja o povijesti svemira. Koristi kameru tamne energije (DEC) pričvršćenu na 4-metarski teleskop Victor M. Blanco na međuameričkom opservatoriju Cerro Tololo u čileanskim Andama. DEC je okupljen u SAD-u u Fermilabu u blizini Batavije u državi Illinois, a kamera je 570 megapiksela koja može slikati galaksije tako daleko da je njihovo svjetlo milijun i toliko svijetlo kao i najjače vidljive zvijezde.
Tamna energija i tamna materija
DES je lov na tamnu energiju, što je predloženo energetsko polje u svemiru koje je odbojni oblik gravitacije. Dok gravitacija izaziva neodoljivu privlačnost, tamna energija gura svemir da se širi sve većom brzinom. Njezin je učinak prvi put primijećen 1998. godine, a i dalje imamo mnogo pitanja o njegovoj prirodi.
Međutim, mjerenjem lokacije i udaljenosti od 300 milijuna galaksija na južnom noćnom nebu, istraživanjem će se moći dati važne izjave o još jednoj astronomskoj misteriji, nazvanoj tamna tvar. Smatra se da je tamna tvar pet puta rasprostranjenija u svemiru od obične materije. Pa ipak, on nema interakcije sa svjetlošću, radio valovima ili bilo kojim oblikom elektromagnetske energije. Čini se da se ne mogu okupljati i tvore velika tijela poput planeta i zvijezda.
Ne postoji način da se izravno vidi tamna tvar (odatle i naziv). Međutim, njegovi se učinci mogu vidjeti neizravno analizirajući kako se brze galaksije rotiraju. Ako izračunate brzine rotacije podržane vidljivom masom galaksija, otkrit ćete da se one okreću brže nego što bi trebale. Po svim pravima ove bi galaksije trebale biti rastrgane. Nakon desetljeća istraživanja, astronomi su zaključili da svaka galaksija sadrži tamnu tvar, koja stvara dodatnu gravitaciju koja drži galaksije zajedno.
Tamna materija u svemiru
Međutim, u mnogo većem razmjeru svemira, proučavanje pojedinih galaksija nije dovoljno. Potreban je drugi pristup. Za to astronomi moraju koristiti tehniku koja se naziva gravitacijsko leće.
Gravitacijsko sočivo predvidio je 1916. godine Albert Einstein, a prvi ga je opazio sir Arthur Eddington 1919. Einsteinova teorija opće relativnosti kaže da je gravitacija koju doživljavamo doista uzrokovana zakrivljenošću prostora-vremena. Budući da svjetlost putuje ravnom linijom kroz prostor, ako je prostor-vrijeme zakrivljen, promatrač će izgledati kao da svjetlost putuje zakrivljenom stazom kroz prostor.
Ovaj se fenomen može iskoristiti za proučavanje količine i distribucije tamne materije u svemiru. Znanstvenici koji zaviruju u daleku galaksiju (koja se naziva galaksija koja leća), a koja ima još jednu galaksiju koja je još udaljenija iza nje (koja se naziva promatrana galaksija), mogu vidjeti iskrivljenu sliku promatrane galaksije. Izobličenje je povezano s masom galaksije koja leća. Budući da je masa galaksije koja leći predstavlja kombinaciju vidljive materije i tamne materije, gravitacijsko leće omogućava znanstvenicima da izravno promatraju postojanje i raspodjelu tamne materije na skali kao što je velik i sam svemir. Ova tehnika također funkcionira kada veliki nakupina prednjih galaksija iskrivi slike nakupina još udaljenijih galaksija, što je tehnika korištena za ovo mjerenje.
Grudasti ili ne?
Nedavno je DES suradnja objavila analizu koristeći se upravo ovom tehnikom. Tim je pogledao uzorak od 26 milijuna galaksija na četiri različite udaljenosti od Zemlje. Bliže galaksije posudile su one koje su bile dalje. Koristeći ovu tehniku i pažljivo gledajući izobličenje slika svih galaksija, uspjeli su preslikati raspodjelu nevidljive tamne materije i kako se ona kretala i skupljala tijekom posljednjih 7 milijardi godina, odnosno pola životnog vijeka svemir.
Kao što se i očekivalo, otkrili su da je tamna tvar svemira "gnojna." Međutim, dogodilo se iznenađenje - bilo je malo manje kvrgavo nego što su predviđala prethodna mjerenja.
Jedno od kontradiktornih mjerenja dolazi iz ostatka radio signala iz najranijeg vremena nakon Velikog praska, koji se naziva kozmička mikrovalna pozadina (CMB). CMB sadrži u sebi raspodjelu energije u kozmosu kada je bio 380.000 godina. 1998. godine, suradnja Cosmic Background Explorer (COBE) objavila je da CMB nije savršeno ujednačen, već ima tople i hladne točke koje se razlikuju od uniformnih za 1 dio u 100 000. Wilkinson mikrovalna anizotropna sonda (WMAP) i sateliti Planck potvrdili su i precizirali COBE mjerenja.
Tijekom 7 milijardi godina između emitiranja CMB-a i vremenskog razdoblja koje je proučavao DES, ta gornja područja svemira sjeme su formirala strukturu kosmosa. Neujednačena raspodjela energije zarobljena u CMB-u, u kombinaciji s pojačavajućom silom gravitacije, dovela je do toga da su neke mrlje u svemiru gušće, a druge manje. Rezultat je svemir koji vidimo oko nas.
CMB predviđa raspodjelu tamne materije iz jednostavnog razloga: Distribucija materije u našem svemiru u sadašnjosti ovisi o njezinoj raspodjeli u prošlosti. Na kraju krajeva, ako bi u prošlosti postojala nakupina materije, ta bi materija privlačila obližnju materiju i gruda bi rasla. Slično tome, ako bismo projicirali u daleku budućnost, raspodjela materije danas bi sutra utjecala na isti razlog.
Znači, znanstvenici su koristili mjerenja CMB-a na 380.000 godina nakon Velikog praska kako bi izračunali kako bi svemir trebao izgledati 7 milijardi godina kasnije. Kad su usporedili predviđanja s mjerenjima iz DES-a, otkrili su da su DES mjerenja malo manje paušalna od predviđanja.
Nepotpuna slika
Je li to velika stvar? Može biti. Nesigurnost ili pogreška u dva mjerenja dovoljno je velika da znači da se ne slažu na statistički značajan način. To jednostavno znači da nitko ne može biti siguran da se ta dva mjerenja zaista ne slažu. Moguće je da se odstupanja slučajno javljaju iz statističkih fluktuacija podataka ili malim instrumentalnim učincima koji nisu uzeti u obzir.
Čak bi i autori studije ovdje predložili oprez. DES mjerenja još nisu recenzirana. Radovi su poslani na objavljivanje, a rezultati su predstavljeni na konferencijama, ali na čvrste zaključke treba pričekati dok ne stignu izvješća suca.
Pa, kakva je budućnost? DES ima petogodišnju misiju od koje su zabilježeni podaci o četiri godine. Nedavno objavljeni rezultat koristi samo podatke vrijedne prve godine. Noviji podaci se još uvijek analiziraju. Nadalje, kompletni skup podataka prekrivat će 5000 četvornih stupnjeva neba, dok nedavni rezultat pokriva samo 1500 četvornih stupnjeva, a samo je polovica puta unatrag. Dakle, priča očito nije potpuna. Analiza cjelovitog skupa podataka neće se očekivati do 2020. godine.
Ipak, danas uzeti podaci mogu značiti da postoji moguća napetost u našem razumijevanju evolucije svemira. Čak i ako ta napetost nestane kako se analizira više podataka, DES suradnja nastavlja s drugim mjerenjima. Zapamtite da slova "DE" u nazivu označavaju tamnu energiju. Ova će nam skupina na kraju moći reći nešto o ponašanju tamne energije u prošlosti i onome što možemo očekivati u budućnosti. Ovo nedavno mjerenje samo je početak onoga što se očekuje da bude znanstveno fascinantno vrijeme.
Ova verzija članka izvorno je objavljena u časopisu Live Science.
