Definitieve data Dark Energy Survey dagen ons begrip van kosmische evolutie uit

Laatste gegevens van de Dark Energy Survey dagen ons begrip van de kosmische evolutie uit

Na zes jaar de zuidelijke hemel te hebben gescand, heeft de Dark Energy Survey (DES) zijn definitieve Jaar 6 (Y6)-analyse vrijgegeven, wat een van de meest rigoureuze stresstests van het standaardmodel van de kosmologie tot nu toe oplevert. Door de posities en vormen van bijna 150 miljoen sterrenstelsels over 5.000 vierkante graden in kaart te brengen, heeft een internationaal team van onderzoekers de 13,8 miljard jaar oude geschiedenis van het universum met ongekende precisie onderzocht. De bevindingen, geleid door een omvangrijk samenwerkingsverband met onderzoekers als J. Fang, Y. Zhang en J. Carretero, versterken een hardnekkige en provocerende discrepantie: het huidige universum lijkt minder "klonterig" dan de condities van het vroege universum doen vermoeden. Deze "S8-spanning" kan er op wijzen dat ons huidige begrip van de natuurkunde—specifiek het Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-model—een fundamentele herziening nodig heeft om de evolutie van kosmische structuren te verklaren.

De Dark Energy Survey, gevestigd bij de Blanco Telescope in Chili en deels beheerd door het Fermi National Accelerator Laboratory, werd ontworpen om de aard van donkere energie te onderzoeken, de mysterieuze kracht achter de versnelde uitdijing van het universum. De resultaten van Jaar 6 vormen het hoogtepunt van een half decennium aan observaties en verscheidene jaren van rigoureuze "blinde" analyse, een proces waarbij wetenschappers de definitieve resultaten voor zichzelf achterhouden om bevestigingsvooroordelen te voorkomen. Door de grootschalige structuur van het universum te analyseren, probeert de DES-collaboratie te bepalen hoe donkere materie in de loop der eonen is gaan samenklonteren en hoe donkere energie die klontering heeft tegengewerkt door de structuur van de ruimtetijd zelf op te rekken.

De methodologie van kosmische cartografie

Om deze resultaten te bereiken, maakte de samenwerking gebruik van een geavanceerde methodologie die bekend staat als "3x2pt"-analyse, die drie verschillende tweepunts-correlatiefuncties combineert. Ten eerste maten onderzoekers de "kosmische schering" van ongeveer 140 miljoen bronstelsels. Dit omvat het detecteren van de minieme vervormingen in de vormen van verre sterrenstelsels veroorzaakt door de zwaartekracht van tussenliggende donkere materie—een fenomeen dat bekend staat als zwakke zwaartekrachtlenswerking. Ten tweede analyseerden ze de "clustering van sterrenstelsels" van 9 miljoen lens-stelsels, waarbij hun specifieke posities in kaart werden gebracht om te zien hoe sterrenstelsels zich van nature groeperen. Ten slotte voerden ze "galaxy-galaxy lensing" uit, een kruiscorrelatietechniek die de posities van de lens-stelsels op de voorgrond koppelt aan de vervormde vormen van de bronstelsels op de achtergrond. Deze meerzijdige aanpak maakt een consistente meting mogelijk van zowel de totale hoeveelheid materie in het universum als de mate waarin deze geconcentreerd is.

De primaire maatstaf die wordt gebruikt om deze concentratie te beschrijven is de S8-parameter, die de clusteringsamplitude van materie vertegenwoordigt. Volgens de DES Jaar 6 3x2pt-analyse werd de S8-waarde gemeten op 0,789 ± 0,012, terwijl de totale materiedichtheid (Ωm) werd vastgesteld op 0,333. Deze cijfers zijn opmerkelijk precies, maar ze staan op gespannen voet met voorspellingen die zijn afgeleid van de kosmische achtergrondstraling (CMB)—de "nagloed" van de oerknal. Gegevens van de Planck-satelliet, evenals de Atacama Cosmology Telescope (ACT-DR6) en de South Pole Telescope (SPT-3G), suggereren een hogere S8-waarde, wat betekent dat het vroege universum een meer samengeklonterd modern universum voorspelt dan DES in werkelijkheid waarneemt.

De groeiende "S8-spanning"

Deze discrepantie, bekend als de S8-spanning, is een centraal aandachtspunt geworden van de moderne kosmologie. De DES Jaar 6-resultaten vertonen een spanning van 2,6-sigma wanneer ze alleen op de S8-parameter worden geprojecteerd in vergelijking met datasets van de primaire anisotropie van de CMB. Wanneer de volledige parameterruimte in beschouwing wordt genomen, is het verschil ongeveer 1,8-sigma. Hoewel deze getallen voor een leek klein kunnen lijken, vertegenwoordigen ze in de wereld van de precisienatuurkunde een hardnekkige "barst" in het standaardmodel. Als het vroege universum (de CMB) en het late universum (de door DES in kaart gebrachte sterrenstelsels) niet op één lijn liggen, suggereert dit dat er iets is gebeurd tijdens de miljarden jaren van kosmische evolutie dat onze huidige vergelijkingen niet vatten. Het universum is in feite "gladder" dan we in dit stadium van zijn bestaan hadden verwacht.

De statistische robuustheid van deze bevinding wordt versterkt door de enorme schaal van de DES-collaboratie. Met bijdragen van instellingen zoals de University of Chicago, Princeton University en University College London, onderging de studie uitvoerige systematische controles. De onderzoekers hielden rekening met variabelen zoals fotometrische roodverschuivingsfouten (het schatten van afstanden van sterrenstelsels), de intrinsieke uitlijning van sterrenstelsels en de effecten van "baryonische feedback"—de manier waarop gas en sterren binnen sterrenstelsels materie kunnen verplaatsen en het signaal van donkere materie kunnen vertroebelen. Ondanks deze correcties blijft de S8-spanning bestaan, wat suggereert dat het resultaat een kenmerk van het universum is en geen meetfout.

Voorbij het standaardmodel: wCDM en nieuwe fysica

Naast het standaard ΛCDM-model, waarbij donkere energie wordt behandeld als een constante "kosmologische constante", modelleerden de onderzoekers hun gegevens ook met behulp van het wCDM-raamwerk. In deze versie van het universum mag de parameter voor de toestandsvergelijking van donkere energie (w) variëren. De Y6 3x2pt-resultaten leverden een w-waarde op van -1,12, wat consistent is met de kosmologische constante (w = -1), maar ruimte laat voor "dynamische" donkere energie die in de loop van de tijd verandert. Wanneer de DES 3x2pt-gegevens werden gecombineerd met andere datasets met een lage roodverschuiving—waaronder supernova's (SNe Ia), Baryonische Akoestische Oscillaties (BAO) en clusters van sterrenstelsels—nam de spanning met de CMB toe tot 2,8-sigma in het ΛCDM-model.

Wat zou dit gat kunnen verklaren? Kosmologen overwegen nu verschillende scenario's voor "nieuwe fysica". Een mogelijkheid is dat donkere energie geen constante kracht is maar evolueert, waardoor de snelheid van de kosmische uitdijing verandert op een manier die de groei van structuren remt. Een andere hypothese heeft betrekking op de massa van neutrino's; de gezamenlijke DES Y6-fit met CMB- en BAO-gegevens leverde de strengste beperkingen tot nu toe op voor de som van de neutrinomassa's, die minder dan 0,14 eV bleken te zijn. Als neutrino's of andere "donkere" deeltjes zich anders gedragen dan verwacht, zouden ze een subtiele druk kunnen uitoefenen die voorkomt dat materie zo dicht samenklontert als de Planck-gegevens zouden voorspellen.

De erfenis van de Dark Energy Survey

De publicatie van de Jaar 6-resultaten markeert een mijlpaal voor de Dark Energy Survey-collaboratie. Door alle DES-probes te combineren—zwakke lenswerking, clustering, supernova's en clusters—heeft het team een definitieve kaart van het nabije universum gemaakt. Deze dataset zal de komende jaren als de gouden standaard dienen en een basislijn vormen voor de volgende generatie observatoria. De grote impact van dit werk wordt weerspiegeld in de precisie; de gezamenlijke fit van Y6 3x2pt met CMB en andere datasets leverde de meest nauwkeurige kosmologische parameters tot nu toe op: een materiedichtheid van 0,302 en een Hubbleconstante (h) van 0,683.

Vooruitkijkend zal de "crisis in de kosmologie" waarschijnlijk worden opgelost door nog grotere surveys. De Legacy Survey of Space and Time (LSST) van het Vera C. Rubin Observatory en de Euclid-missie van de European Space Agency staan op het punt om miljarden sterrenstelsels te observeren, wat de 150 miljoen die door DES zijn geanalyseerd in de schaduw stelt. Deze komende projecten zullen ofwel bevestigen dat de S8-spanning een teken is van revolutionaire nieuwe fysica, of aantonen dat het een statistische fluctuatie was. Voor nu staan de DES Jaar 6-resultaten als een bewijs van menselijke vindingrijkheid en bieden ze een helderder—zij het mysterieuzer—beeld van de donkere krachten die onze realiteit vormen. Zoals J. Fang, Y. Zhang en hun collega's concluderen, blijft het universum geheimen bewaren die onze meest fundamentele aannames over de aard van ruimte en tijd uitdagen.