Forskare från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) rapporterade idag den första robusta upptäckten av kosmisk förstoring på stora skalor, en förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori tillämpad på distributionen av galaxer , mörk materia och avlägsna kvasarer.
Dessa fynd, accepterade för publicering i The Astrophysical Journal, beskriver de subtila förvrängningar som ljuset genomgår när det reser från avlägsna kvasarer genom banan av mörk materia och galaxer innan de når observatörerna här på jorden.
SDSS-upptäckten avslutar en två decennier gammal oenighet mellan tidigare förstoringsmätningar och andra kosmologiska tester av förhållandet mellan galaxer, mörk materia och universums övergripande geometri.
”Förvrängningen av bakgrundsgalaxernas former på grund av gravitationslinsning observerades först för ett decennium sedan, men ingen hade kunnat pålitligt upptäcka förstoringsdelen av linssignalen”, förklarade huvudforskaren Ryan Scranton vid University of Pittsburgh.
När ljuset gör sin 10 miljarder år långa resa från en avlägsen kvasar, avböjs och fokuseras av den gravitationella dragningen av mörk materia och galaxer, en effekt känd som gravitationslinsning. SDSS-forskarna mätte definitivt den lilla ljusningen eller "förstoring" av kvasarer och kopplade effekten till tätheten av galaxer och mörk materia längs kvasarljusets väg. SDSS-teamet har upptäckt denna förstoring i ljusstyrkan på 200 000 kvasarer.
Medan gravitationslinser är en grundläggande förutsägelse av Einsteins allmänna relativitet, ger SDSS-samarbetets upptäckt en ny dimension.
"Att observera förstoringseffekten är en viktig bekräftelse av en grundläggande förutsägelse av Einsteins teori," förklarade SDSS-samarbetspartner Bob Nichol vid University of Portsmouth (UK). "Det ger oss också en avgörande konsistenskontroll av den standardmodell som utvecklats för att förklara samspelet mellan galaxer, galaxkluster och mörk materia."
Astronomer har försökt mäta denna aspekt av gravitationslinser i två decennier. Förstoringssignalen är dock en mycket liten effekt - så små som några procent ökar i ljuset som kommer från varje kvasar. Att upptäcka en sådan liten förändring krävde ett mycket stort prov av kvasarer med exakta mätningar av deras ljusstyrka.
"Medan många grupper har rapporterat upptäckter av kosmisk förstoring tidigare, var deras datauppsättningar inte tillräckligt stora eller exakta för att möjliggöra en definitiv mätning, och resultaten var svåra att förena med standardkosmologi," tilllade Brice Menard, forskare vid Institute for Advanced Study i Princeton, NJ.
Genombrottet kom tidigare i år med ett exakt kalibrerat prov på 13 miljoner galaxer och 200 000 kvasarer från SDSS-katalogen. Den fullständiga digitala informationen från SDSS löste många av de tekniska problemen som plågade tidigare försök att mäta förstoringen. Nyckeln till den nya mätningen var dock utvecklingen av ett nytt sätt att hitta kvasarer i SDSS-data.
"Vi tog nyskapande idéer från datavetenskapens och statistikens värld och använde dem på våra data," förklarade Gordon Richards från Princeton University.
Richards förklarade att genom att använda nya statistiska tekniker kunde SDSS-forskare extrahera ett prov av kvasarer som var 10 gånger större än konventionella metoder, vilket möjliggjorde den exceptionella precision som krävs för att hitta förstoringssignalen. "Vår tydliga upptäckt av linssignalen kunde inte ha gjorts utan dessa tekniker," avslutade Richards.
Nya observationer av storskalig fördelning av galaxer, den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden och avlägsna supernovaer har fått astronomer att utveckla en 'standardmodell' av kosmologi. I denna modell representerar synliga galaxer endast en liten bråkdel av hela universumets massa, resten är gjord av mörk materia.
Men för att förena tidigare mätningar av den kosmiska förstoringssignalen med den här modellen krävs det att man gör osannolika antaganden om hur galaxer fördelas relativt den dominerande mörka materien. Detta ledde till vissa att dra slutsatsen att den grundläggande kosmologiska bilden var felaktig eller åtminstone inkonsekvent. De mer exakta SDSS-resultaten indikerar emellertid att tidigare datamängder troligen inte stod för mätningens utmaning.
"Med kvalitetsdata från SDSS och vår mycket bättre metod för att välja kvasarer har vi lagt detta problem att vila," sa Scranton. "Vår mätning är i överensstämmelse med resten av vad universum berättar för oss och den irriterande oenigheten löses."
"Nu när vi har visat att vi kan göra en tillförlitlig mätning av kosmisk förstoring kommer nästa steg att använda det som ett verktyg för att studera växelverkan mellan galaxer, mörk materia och ljus i mycket större detalj," sa Andrew Connolly från University of Pittsburgh.
Originalkälla: SDSS News Release
