Naukowcy opracowali model ujawniający, co kolor galaktyki mówi o jej odległości, który można wykorzystać do pomiaru struktur kosmicznych.
Wykorzystując obserwacje teleskopowe i spektroskopię, naukowcy analizują strukturę i wiek Wszechświata, badając, w jaki sposób ciemna materia i ciemna energia wpływają na powstawanie i rozkład galaktyk.
Kosmiczna ewolucja
Nasz Wszechświat ma około 13,8 miliardów lat. Na przestrzeni tego czasu najmniejsze początkowe asymetrie przekształciły się w wielkoskalowe struktury, które możemy zobaczyć na nocnym niebie przez nasze teleskopy: galaktyki podobne do naszej Droga Mlecznagromady galaktyk i jeszcze większe skupiska materii lub włókna gazu i pyłu.
To, jak szybko nastąpi ten wzrost, zależy, przynajmniej w dzisiejszym wszechświecie, od pewnego rodzaju zmagań sił natury: czy ciemna materia, która utrzymuje wszystko razem dzięki swojej grawitacji i przyciąga dodatkową materię, może przeciwstawić się ciemnej energii, która popycha wszechświat coraz bardziej od siebie oddalony?
„Jeśli potrafimy precyzyjnie zmierzyć struktury na niebie, będziemy mogli obserwować tę walkę” – mówi astrofizyk z LMU Daniel Grün.
To tutaj z pomocą przychodzą projekty obserwacji teleskopowych, które bardzo precyzyjnie rejestrują na obrazach duże połacie nieba. Na przykład istnieje badanie Dark Energy Survey z teleskopem Blanco w Chile i niedawno oddanym do użytku satelitą Euclid. Naukowcy z LMU od lat są zaangażowani w oba projekty, w tym na stanowiskach kierowniczych.
Wyzwania w pomiarze odległości kosmicznej
Choć dokładne określenie odległości poszczególnych struktur i galaktyk od nas nie zawsze jest łatwe, to jest niezwykle istotne. W końcu im dalej znajduje się galaktyka, tym dłużej jej światło podróżuje do nas, a zatem im starsza jest migawka wszechświata ujawniona w wyniku jej obserwacji.
Ważnym źródłem informacji jest obserwowany kolor galaktyki mierzony za pomocą naziemnych teleskopów, takich jak Blanco, lub satelitów, takich jak Euclid. Nowe badanie przeprowadzone przez zespół kierowany przez Jamiego McCullougha i Daniela Grün, które zostało opublikowane w czasopiśmie MNRASprzeanalizował największy jak dotąd zbiór danych i rzuca światło na to, co tak naprawdę kolor różnych galaktyk mówi o ich prawdziwej odległości.
Spektroskopia i przesunięcie ku czerwieni
W zasadzie odległość galaktyki można precyzyjnie określić za pomocą spektroskopii. Obejmuje to pomiar linii widmowych odległych galaktyk. W miarę jak Wszechświat jako całość się rozszerza, wydaje się, że fale te mają większą długość fali, im dalej od nas znajduje się galaktyka. Dzieje się tak, ponieważ fale świetlne odległych galaktyk są rozciągane w długiej podróży do nas.
Efekt ten, znany jako przesunięcie ku czerwieni, zmienia również widoczne kolory mierzone przez instrumenty na obrazie galaktyki. Wydają się bardziej czerwone niż w rzeczywistości. Jest to podobne do efektu Dopplera, który słyszymy w pozornej wysokości dźwięku syreny karetki, gdy mija nas i oddala się.
„Jeśli połączymy informacje o odległości z pomiarami kształtu galaktyk, będziemy mogli wnioskować o strukturach wielkoskalowych na podstawie zniekształceń światła”.
Jamiego McCullougha
Różnorodność galaktyk i integracja danych
Jamie McCullough jest doktorantem na LMU i Uniwersytecie Stanforda. Do swojej analizy wykorzystała pomiary spektroskopowe z instrumentu spektroskopowego ciemnej energii (DESI) w połączeniu z największym jak dotąd zbiorem danych do precyzyjnego pomiaru kolorów galaktyk (KiDS-VIKING).
W szczególności autorzy połączyli dane spektroskopowe z DESI dotyczące łącznie 230 000 galaktyk z kolorami tych galaktyk w przeglądzie KiDS-VIKING i wykorzystali te informacje do określenia związku między odległością galaktyki od nas a jej obserwowanym kolorem i jasnością. Nie ma dwóch takich samych galaktyk we wszechświecie, ale w przypadku każdej klasy podobnych galaktyk istnieje szczególny związek między obserwowanym kolorem a przesunięciem ku czerwieni.
„Jeśli połączymy informacje o odległości z pomiarami kształtu galaktyk, będziemy mogli wnioskować o strukturach wielkoskalowych na podstawie zniekształceń światła” – mówi Jamie McCullough.
Wyniki badań pozwalają statystycznie określić rzeczywistą odległość każdej galaktyki obserwowaną na zdjęciach wykonanych przez Euclid czy Dark Energy Survey.
Interaktywny lot przez miliony galaktyk
Ten 360-stopniowy film przedstawia interaktywny lot przez miliony galaktyk, odwzorowany na podstawie danych o współrzędnych z DESI. Źródło: DESI
Postępy w zrozumieniu struktur kosmicznych
Analizując zaobserwowane zniekształcenia obrazów galaktyk, naukowcy będą mogli dowiedzieć się czegoś o zachowaniu struktur kosmicznych dzisiaj i miliardy lat temu oraz lepiej je zrozumieć. Da to wgląd w ewolucyjną historię wszechświata.
Aby móc obserwować przebieg powstawania struktury w czasie, nie trzeba czekać miliardów lat; wystarczy zmierzyć konstrukcję w różnych odległościach od Ziemi. W przypadku samych obrazów jest to prawie niemożliwe, ponieważ nie można po prostu określić odległości galaktyki od naszej na podstawie jej wyglądu na obrazie. Badanie Jamiego McCullougha zawiera klucz do tego problemu, dostarczając modelu tego, co pozorny „kolor” galaktyki mówi nam o jej odległości od nas.
Siły kosmiczne w grze
Głównym celem tej precyzyjnej obserwacji i rozmieszczenia galaktyk w różnych odległościach jest uzyskanie wglądu w wielkie zmagania pomiędzy naturalnymi siłami ciemnej materii i ciemnej energii.
„Aby naprawdę zobaczyć, co się dzieje, trzeba być w stanie obserwować poszczególne rundy tego meczu” – mówi Grün. Dzieje się tak, ponieważ ciemna energia jest gotowa nadrobić zaległości i potencjalnie całkowicie zatrzymać powstawanie większych nagromadzeń masy we wszechświecie.
„Tylko wtedy zrozumiemy, czym tak naprawdę jest ciemna materia i ciemna energia i która z nich ostatecznie zwycięży”.
Odniesienie: „Kompletna kalibracja DESI relacji kolor-przesunięcie ku czerwieni (DC3R2): wyniki z wczesnych danych DESI” autorstwa J McCullough, D Gruen, A Amon, A Roodman, D Masters, A Raichoor, D Schlegel, R Canning, FJ Castander, J DeRose, R Miquel, J Myles, JA Newman, A Slosar, J Speagle, MJ Wilson, J Aguilar, S Ahlen, S Bailey, D Brooks, T Claybaugh, S Cole, K Dawson, A de la Macorra, P Doel, JE Forero-Romero, S Gontcho A Gontcho, J Guy, R Kehoe, A Kremin, M Landriau, L Le Guillou, M Levi, M Manera, P Martini, A Meisner, J Moustakas, J Nie, WJ Percival, C Poppett, F Prada, M Rezaie, G Rossi, E Sanchez, H Seo, G Tarlé, BA Weaver, Z Zhou, H Zou i DESI Collaboration, 3 czerwca 2024 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stae1316
