Nowa analiza potwierdza teorię względności Einsteina i zawęża zakresy mas neutrin, co wskazuje na ewolucję ciemnej energii.
Grawitacja, podstawowa siła kształtująca wszechświat, ukształtowała drobne zmiany w materii od wczesnego kosmosu do rozległych sieci galaktyk, które widzimy dzisiaj. Korzystanie z danych z instrumentu spektroskopowego ciemnej energii (DESI) naukowcy prześledzili ewolucję tych kosmicznych struktur na przestrzeni ostatnich 11 miliardów lat. Badania te stanowią najdokładniejszy test grawitacji na dużą skalę, jaki kiedykolwiek przeprowadzono, oferujący bezprecedensowy wgląd w powstawanie i zachowanie Wszechświata.
Wprowadzenie do DESI i jego globalnego wpływu
DESI to międzynarodowa współpraca ponad 900 naukowców z ponad 70 instytucji na całym świecie, zarządzana przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. W ramach nowego badania naukowcy odkryli, że grawitacja zachowuje się zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Wyniki te potwierdzają obecny model Wszechświata i zawężają możliwe teorie zmodyfikowanej grawitacji, które zaproponowano jako alternatywne wyjaśnienia nieoczekiwanych obserwacji, takich jak przyspieszająca ekspansja Wszechświata, którą zwykle przypisuje się ciemnej energii.
Testowanie ogólnej teorii względności Einsteina
Badacz Héctor Gil Marín z Wydziału Fizyki i Instytutu Nauk o Kosmosie Uniwersytetu w Barcelonie (ICCUB) jest współautorem tej nowej analizy i twierdzi, że „dane te pozwalają nam zbadać, jak szybko największe struktury Wszechświata uformowały się, aby położyć ograniczenia ogólnej teorii względności Einsteina w skalach kosmologicznych znacznie większych niż skala Układu Słonecznego. Badacz, który jest także członkiem Katalońskiego Instytutu Studiów Kosmicznych (IEEC), dodaje, że „na razie wyniki idealnie pokrywają się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina”.
Badanie wyznacza także nową górną granicę masy neutrin, których masy nie zmierzono jeszcze jako jedynych cząstek elementarnych. Poprzednie eksperymenty wykazały, że suma mas trzech typów neutrin powinna wynosić co najmniej 0,059 eV/c2 (dla porównania elektron wynosi 511 000 eV/c2). Wyniki DESI wskazują, że suma ta powinna być mniejsza niż 0,071 eV/c2co pozostawia bardzo wąskie okno dla możliwych wartości mas neutrin.
Dysponując danymi z zaledwie jednego roku, DESI uzyskało najdokładniejsze globalne pomiary wzrostu konstrukcji i przekroczyło wszystkie poprzednie wyniki, które wymagały dziesięcioleci nieustannych wysiłków.
W ramach współpracy DESI nowe wyniki przedstawiono w kilku artykułach naukowych dostępnych w czasopiśmie arXiv magazyn. W złożonej analizie danych wykorzystano prawie sześć milionów galaktyk i kwazarów znajdujących się w odległościach od jednego do jedenastu miliardów lat świetlnych od Ziemi.
Lepsze zrozumienie grawitacji i ciemnej energii
Zaprezentowane dziś wyniki są dogłębną analizą danych z pierwszego roku DESI, które w kwietniu zaprezentowało największą trójwymiarową mapę Wszechświata, jaką kiedykolwiek stworzono i znalazło pewne wskazówki, że ciemna energia może zmieniać się z biegiem czasu. Opublikowane wówczas wyniki skupiały się na szczególnej właściwości przestrzennego rozmieszczenia galaktyk, znanej jako barionowe oscylacje akustyczne (BAO). Ta nowa analiza uwzględnia wszystkie informacje zawarte w kształcie widma mocy i rozszerza zakres powyższego, aby wydobyć więcej informacji z danych, umożliwiając pomiar rozmieszczenia galaktyk i materii w różnych skalach przestrzennych. Badanie wymagało miesięcy pracy i dodatkowych kontroli. Podobnie jak w poprzednim przypadku, zastosowali technikę ślepej analizy, która ukrywa wyniki do samego końca, aby złagodzić wszelkie stronniczość.
Eusebio Sánchez, badacz w Centrum Badawczym ds. Energii, Środowiska i Technologii (CIEMAT), który współpracował przy analizie danych, twierdzi, że „wyniki uzyskane w pierwszym roku stosowania danych DESI są oszałamiające”. I wyjaśnia, że „to dopiero początek, w ramach projektu zbierane są kolejne dane, które pozwolą nam poszerzyć naszą obecną wiedzę na temat grawitacji i ciemnej energii”.
Perspektywy na przyszłość i trwające badania
DESI to wiodący instrument zdolny do wychwytywania światła pięciu tysięcy galaktyk jednocześnie i określania ich widm. Został zbudowany i eksploatowany dzięki funduszom Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). DESI jako część amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF) NOIRLab programu, znajduje się na szczycie Teleskopu Nicholasa U. Mayalla w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak, który posiada zwierciadło o średnicy czterech metrów. Eksperyment znajduje się obecnie w czwartym z planowanych pięciu lat gromadzenia danych, a celem jest sporządzenie map około czterdziestu milionów galaktyk i kwazarów do końca projektu.
W ramach współpracy analizowane są obecnie dane z pierwszych trzech lat, a nowe wyniki mają zostać zaprezentowane wiosną 2025 r., aktualizując istniejące pomiary ciemnej energii i historię ekspansji Wszechświata. Zaprezentowane dzisiaj wyniki są spójne z wcześniejszymi ustaleniami dotyczącymi niewielkiej preferencji dla ewoluującej ciemnej energii, co budzi zainteresowanie wynikami bieżącej analizy.
Hui Kong, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Instytucie Fizyki Wysokich Energii (IFAE), który pracował nad przygotowaniem katalogów galaktyk, zauważa, że „rozmieszczenie galaktyk sugeruje obecność ciemnej materii i ciemnej energii, które pozostają dla nas tajemnicą nas. Jednak dokładne pomiary dostarczone przez DESI dostarczają obiecujących informacji na temat podstawowych pytań dotyczących wszechświata.”
Więcej informacji na temat tego badania:
Współpraca DESI
Projekt DESI jest wspierany przez fundusze zróżnicowanej grupy instytucji, w tym Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Centrum Obliczeń Naukowych ds. Energii (NERSC) i amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF). Dodatkowy wkład pochodzi od Wydziału Nauk Astronomicznych (AST) NSF w ramach umowy z Narodowym Obserwatorium Astronomii Optycznej NSF, brytyjską Radą ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych (STFC), Fundacją Gordona i Betty Moore, Fundacją Heising-Simons, francuską fundacją Commissariat à l’Energie Atomique et des Energies Alternatives (CEA), Meksykańska Krajowa Rada ds. Nauki i Technologii (CONACYT), Hiszpańskie Ministerstwo Nauki, Innowacji i Uniwersytety i instytucje członkowskie DESI.
Współpraca DESI prowadzi badania w Du’ag, położonym w Kitt Peak w Arizonie, miejscu o głębokim znaczeniu kulturowym i duchowym dla narodu Tohono O’odham.
W Hiszpanii do DESI przyczynia się kilka znaczących instytucji, w tym CIEMAT, Instytut Nauk o Kosmosie (ICE, CSIC), Instytut Nauk o Kosmosie Uniwersytetu w Barcelonie (ICCUB), Instytut Fizyki Wysokich Energii (IFAE), Instytut Instytut Fizyki Teoretycznej (IFT-UAM/CSIC), Andaluzyjski Instytut Astrofizyki (IAA) i Instytut Astrofizyki Wysp Kanaryjskich (IAC).
