När det gäller noggrannhet strävar alla efter hundra procent, men att mäta kosmiska avstånd lämnar lite mer till slumpen. För bara några dagar sedan meddelade forskare från Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) till världen att de har kunnat mäta avståndet till galaxer som ligger mer än sex miljarder ljusår bort till en konfidensnivå på bara en procent. Om detta tillkännagivande inte verkar spännande, tänk på vad det betyder för andra studier. Dessa nya mätningar ger en parameter till egenskaperna hos den allestädes närvarande “mörka energin” - källan till universell expansion.
"Det finns inte många saker i våra dagliga liv som vi vet med en procents noggrannhet," sa David Schlegel, en fysiker vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och huvudutredaren för BOSS. "Jag vet nu universums storlek bättre än jag känner till storleken på mitt hus."
Forskningsteamets resultat presenterades vid mötet i American Astronomical Society av Harvard University astronom Daniel Eisenstein, chef för Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III), den världsomspännande organisationen som inkluderar BOSS. De beskrivs i en serie artiklar som skickades till tidskrifter av BOSS-samarbetet förra månaden, som alla nu finns tillgängliga som online-förtryck.
"Att bestämma avstånd är en grundläggande utmaning för astronomi," sade Eisenstein. ”Du ser något på himlen - hur långt borta är det? När du väl vet hur långt det är, är det plötsligt mycket lättare att lära sig allt annat om det. ”
När det gäller att mäta avstånd i rymden har astronomer använt många metoder. Att mäta avstånd till planeter har uppnåtts med radar, men det har sina begränsningar och att gå längre ut i rymden betyder en mindre direkt metod. Även om de har visat sig vara otroligt korrekta, är det fortfarande en osäkerhetsfaktor inblandad - en som uttrycks i procent. Om du till exempel skulle mäta avståndet från ett föremål 200 mil bort till ett verkligt värde på 2 mil, har du mätit med en noggrannhet på 1%. Kosmiskt sett är bara några hundra stjärnor och en handfull stjärnkluster faktiskt tillräckligt nära för att förutsäga sina avstånd så exakt. De bor inom Vintergatan och är bara några tusen ljusår bort. BOSS tar det till det yttersta ... dess mätningar går långt utöver våra galaktiska gränser, mer än en miljon gånger längre, och kartlägger universumet med enastående noggrannhet.
Tack vare dessa nya, mycket exakta avståndsmätningar gör BOSS-astronomer framsteg inom området mörk energi. "Vi förstår ännu inte vad mörk energi är," förklarade Eisenstein, "men vi kan mäta dess egenskaper. Sedan jämför vi dessa värden med vad vi förväntar oss att de ska vara, med tanke på vår nuvarande förståelse av universum. Ju bättre våra mätningar, desto mer kan vi lära oss. ”
Hur görs det? Att uppnå en mått på en procent vid sex miljarder ljusår är inte lika lätt som att mäta ett solsystemobjekt, eller till och med ett som finns i vår galax. Det är där BOSS spelar in. Det är det största av de fyra projekten som utgör Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III), och byggdes för att dra nytta av denna teknik: mäta de så kallade "baryon akustic oscillations" (BAOs), subtila periodiska krusningar i fördelningen av galaxer i kosmos. Dessa krusningar är signaturen på tryckvågor som en gång kryssade det tidiga universum vid en tidpunkt då saker var så heta och täta att fotoner marscherade tillsammans med baryoner - saker som skapar atomkärnor. Eftersom storleken på krusningen är känd, kan den storleken nu mätas genom att kartlägga galaxer.
"Med dessa galaxmätningar har naturen gett oss en vacker linjal," sade Ashley Ross, en astronom från University of Portsmouth. ”Linjalen råkar vara en halv miljard miljard år lång, så vi kan använda den för att mäta avstånd exakt, även från mycket långt borta.
Med hjälp av sin specialiserade instrumentering som kan göra detaljerade mätningar av tusen galaxer åt gången tog BOSS en enorm utmaning - kartlägga platsen för mer än en miljon galaxer. "En klar natt när allt går perfekt kan vi lägga till mer än 8000 galaxer och kvasarer på kartan," sa Kaike Pan, som leder teamet av observatörer vid SDSS-III: s Sloan Foundation 2,5-meter teleskop vid Apache Point Observatory i New Mexico.
Även om BOSS-forskargruppen presenterade sina tidiga galaxkartor och började BAO-mätningar för ett år sedan, täcker denna nya data dubbelt så mycket territorium och ger en ännu mer exakt mätning - inklusive de till närliggande galaxer. "Genom att göra dessa mätningar på två olika avstånd kan vi se hur universums expansion har förändrats över tid, vilket kommer att hjälpa oss att förstå varför det påskyndas," förklarade astronomen University of Portsmouth Rita Tojeiro, som är ordförande för BOSS-galaxklyngen arbetsgrupp tillsammans med Jeremy Tinker från New York University.
En liknande studie gör också Mariana Vargas-Magana, en postdoktorisk forskare vid Carnegie Mellon University. För att möjliggöra ännu mer noggrannhet undersöker hon alla subtila effekter som kan påverka BOSS-mätningarna. "När du försöker nå en procent måste du vara paranoid över allt som kan gå till och med något fel," sade Vargas-Magana - till exempel kunde små skillnader i hur galaxer identifierades ha kastat bort hela mätningen av deras distribution så att olika delar av himlen måste kontrolleras noggrant. ”Lyckligtvis,” sade Vargas-Magana, ”det finns massor av försiktiga människor i vårt team för att kontrollera våra antaganden. När alla är nöjda, är vi säkra på att vi inte missade någonting. ”
För närvarande verkar dessa nya resultat från BOSS vara förenliga med vad vi anser vara en form av mörk energi - en konstant som hittats genom universums historia. Enligt nyhetsmeddelandet är denna "kosmologiska konstant" ett av bara sex siffror som krävs för att skapa en modell som sammanfaller med universums skala och struktur. Schlegel jämför denna sexsiffriga modell med en glasruta, som är fäst på plats med bultar som representerar olika mätningar av universums historia. "BOSS har nu en av de tätaste av de bultarna, och vi gav den bara en halv vändning," sa Schlegel. "Varje gång du spänner upp spänningen och glaset inte går sönder, det är en framgång för modellen."
Original berättelse källa: Sloan Digital Sky Survey III nyhetsmeddelande. För ytterligare läsning: Max Planck Institute nyhetsmeddelande.
