Finalne dane z Dark Energy Survey rzucają wyzwanie naszemu zrozumieniu ewolucji kosmosu

Ostateczne dane z Dark Energy Survey rzucają wyzwanie naszemu zrozumieniu ewolucji kosmicznej

Po sześciu latach skanowania południowego nieba, Dark Energy Survey (DES) opublikował swoją ostateczną analizę z szóstego roku (Y6), dostarczając jednego z najbardziej rygorystycznych testów Modelu Standardowego kosmologii do tej pory. Mapując położenie i kształty blisko 150 milionów galaktyk na obszarze 5000 stopni kwadratowych, międzynarodowy zespół naukowców zbadał trwającą 13,8 miliarda lat historię wszechświata z bezprecedensową precyzją. Wyniki prac, prowadzonych przez potężną kolaborację z udziałem badaczy takich jak J. Fang, Y. Zhang i J. Carretero, wzmacniają utrzymującą się i prowokującą rozbieżność: współczesny wszechświat wydaje się mniej „grudkowaty”, niż sugerowałyby to warunki panujące we wczesnym wszechświecie. To „napięcie S8” może sygnalizować, że nasze obecne rozumienie fizyki – w szczególności model Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) – wymaga fundamentalnej rewizji, aby uwzględnić ewolucję struktur kosmicznych.

Projekt Dark Energy Survey, realizowany przy użyciu Teleskopu Blanco w Chile i zarządzany częściowo przez Fermi National Accelerator Laboratory, został zaprojektowany w celu zbadania natury ciemnej energii – tajemniczej siły napędzającej przyspieszoną ekspansję wszechświata. Wyniki z szóstego roku stanowią zwieńczenie pół dekady obserwacji i kilku lat rygorystycznej „ślepej” analizy – procesu, w którym naukowcy ukrywają przed sobą końcowe wyniki, aby uniknąć błędu potwierdzenia. Analizując wielkoskalową strukturę wszechświata, kolaboracja DES dąży do ustalenia, w jaki sposób ciemna materia skupiała się w ciągu eonów i jak ciemna energia przeciwdziałała temu procesowi, rozciągając samą tkankę czasoprzestrzeni.

Metodologia mapowania kosmosu

Aby osiągnąć te wyniki, kolaboracja wykorzystała zaawansowaną metodologię znaną jako analiza „3x2pt”, która łączy trzy różne dwupunktowe funkcje korelacji. Po pierwsze, naukowcy zmierzyli „kosmiczne ścinanie” (cosmic shear) około 140 milionów galaktyk źródłowych. Wiąże się to z wykrywaniem drobnych zniekształceń kształtów odległych galaktyk spowodowanych przyciąganiem grawitacyjnym ciemnej materii znajdującej się po drodze – zjawisko to znane jest jako słabe soczewkowanie grawitacyjne. Po drugie, przeanalizowali „grupowanie się galaktyk” (galaxy clustering) 9 milionów galaktyk soczewkujących, mapując ich konkretne położenia, aby zobaczyć, jak galaktyki naturalnie łączą się w grupy. Na koniec przeprowadzili „soczewkowanie galaktyka-galaktyka” – technikę korelacji krzyżowej, która łączy położenia galaktyk soczewkujących na pierwszym planie ze zniekształconymi kształtami galaktyk źródłowych w tle. To wielotorowe podejście pozwala na spójny pomiar zarówno całkowitej ilości materii we wszechświecie, jak i stopnia jej koncentracji.

Podstawowym miernikiem używanym do opisu tej koncentracji jest parametr S8, który reprezentuje amplitudę grupowania się materii. Według analizy DES Year 6 3x2pt, wartość S8 wyniosła 0,789 ± 0,012, podczas gdy całkowita gęstość materii (Ωm) została oszacowana na 0,333. Liczby te są niezwykle precyzyjne, a jednak pozostają w napięciu z przewidywaniami pochodzącymi z mikrofalowego promieniowania tła (CMB) – „poświaty” po Wielkim Wybuchu. Dane z satelity Planck, a także z Atacama Cosmology Telescope (ACT-DR6) i South Pole Telescope (SPT-3G), sugerują wyższą wartość S8, co oznacza, że model wczesnego wszechświata przewiduje bardziej skupiony współczesny wszechświat, niż faktycznie obserwuje DES.

Narastające „napięcie S8”

Ta rozbieżność, znana jako napięcie S8, stała się centralnym punktem zainteresowania współczesnej kosmologii. Wyniki DES z szóstego roku wykazują napięcie na poziomie 2,6 sigmy w odniesieniu do samego parametru S8 w porównaniu z zestawami danych o anizotropii CMB. Przy uwzględnieniu pełnej przestrzeni parametrów różnica wynosi około 1,8 sigmy. Chociaż liczby te mogą wydawać się małe dla laika, w świecie fizyki wysokiej precyzji reprezentują one trwałe „pęknięcie” w Modelu Standardowym. Jeśli wczesny wszechświat (CMB) i późny wszechświat (galaktyki zmapowane przez DES) nie są ze sobą zgodne, sugeruje to, że podczas miliardów lat ewolucji kosmicznej wydarzyło się coś, czego nasze obecne równania nie uwzględniają. Wszechświat jest w rzeczywistości „gładszy”, niż sądziliśmy, że będzie na tym etapie swojego istnienia.

Statystyczna solidność tego znaleziska jest wzmocniona przez samą skalę kolaboracji DES. Dzięki wkładom instytucji takich jak University of Chicago, Princeton University oraz University College London, badanie przeszło wyczerpujące kontrole systematyczne. Naukowcy uwzględnili zmienne takie jak błędy fotometrycznego przesunięcia ku czerwieni (szacowanie odległości galaktyk), wewnętrzne wyrównanie galaktyk oraz efekty „sprzężenia barionowego” – sposób, w jaki gaz i gwiazdy w galaktykach mogą przemieszczać materię i zacierać sygnał ciemnej materii. Pomimo tych korekt, napięcie S8 pozostaje, co sugeruje, że wynik ten jest cechą wszechświata, a nie błędem pomiarowym.

Poza Modelem Standardowym: wCDM i nowa fizyka

Oprócz standardowego modelu ΛCDM, w którym ciemna energia jest traktowana jako stała „stała kosmologiczna”, naukowcy modelowali swoje dane również przy użyciu ram wCDM. W tej wersji wszechświata parametr równania stanu ciemnej energii (w) może ulegać zmianom. Wyniki Y6 3x2pt przyniosły wartość w równą -1,12, co jest spójne ze stałą kosmologiczną (w = -1), ale pozostawia miejsce dla „dynamicznej” ciemnej energii, która zmienia się w czasie. Gdy dane DES 3x2pt połączono z innymi zbiorami danych o niskim przesunięciu ku czerwieni – w tym z supernowymi (SNe Ia), barionowymi oscylacjami akustycznymi (BAO) i gromadami galaktyk – napięcie względem CMB wzrosło do 2,8 sigmy w modelu ΛCDM.

Co mogłoby wyjaśnić tę lukę? Kosmolodzy rozważają obecnie kilka scenariuszy „nowej fizyki”. Jedną z możliwości jest to, że ciemna energia nie jest siłą stałą, lecz ewoluuje, zmieniając tempo ekspansji kosmicznej w sposób hamujący wzrost struktur. Inna hipoteza dotyczy masy neutryn; dopasowanie łączne DES Y6 z danymi CMB i BAO pozwoliło na uzyskanie najściślejszych jak dotąd ograniczeń sumy mas neutryn, wykazując, że jest ona mniejsza niż 0,14 eV. Jeśli neutryna lub inne „ciemne” cząstki zachowują się inaczej niż oczekiwano, mogą wywierać subtelne ciśnienie, które zapobiega skupianiu się materii tak gęsto, jak przewidywałyby dane z satelity Planck.

Dziedzictwo Dark Energy Survey

Publikacja wyników z szóstego roku stanowi kamień milowy dla kolaboracji Dark Energy Survey. Łącząc wszystkie metody badawcze DES – słabe soczewkowanie, grupowanie, supernowe i gromady – zespół stworzył ostateczną mapę wszechświata o niskim przesunięciu ku czerwieni. Ten zbiór danych będzie służył jako złoty standard przez nadchodzące lata, zapewniając punkt odniesienia dla obserwatoriów nowej generacji. Wysoki wpływ tych prac znajduje odzwierciedlenie w ich precyzji; łączne dopasowanie Y6 3x2pt z CMB i innymi zbiorami danych pozwoliło uzyskać najbardziej ograniczone parametry kosmologiczne do tej pory: gęstość materii na poziomie 0,302 i stałą Hubble’a (h) wynoszącą 0,683.

Patrząc w przyszłość, „kryzys w kosmologii” zostanie prawdopodobnie rozwiązany przez jeszcze większe przeglądy nieba. Legacy Survey of Space and Time (LSST) w Obserwatorium im. Very C. Rubin oraz misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej mają na celu obserwację miliardów galaktyk, co przyćmi 150 milionów przeanalizowanych przez DES. Te nadchodzące projekty albo potwierdzą, że napięcie S8 jest oznaką rewolucyjnej nowej fizyki, albo wykażą, że było ono fluktuacją statystyczną. Na razie wyniki DES Year 6 stanowią świadectwo ludzkiej pomysłowości, dostarczając wyraźniejszego – choć bardziej tajemniczego – spojrzenia na ciemne siły kształtujące naszą rzeczywistość. Jak podsumowują J. Fang, Y. Zhang i ich koledzy, wszechświat wciąż skrywa tajemnice, które rzucają wyzwanie naszym najbardziej podstawowym założeniom dotyczącym natury czasu i przestrzeni.