Don Lincoln är en seniorforskare vid U.S. Department of Energy's Fermilab, landets största forskningsinstitution för Large Hadron Collider. Han skriver också om vetenskap för allmänheten, inklusive hans senaste "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan följa honom vidareFacebook. Lincoln bidrog med denna artikel till Live ScienceExpertröster: Op-Ed & Insights.
Så länge vi har hållit register har mänskligheten undrat natthimlen. Vi har tittat på himlen för att bestämma gudarnas vilja och undra över betydelsen av allt. De bara 5 000 stjärnorna vi kan se med det blotta ögat har varit mänsklighetens följeslagare i årtusenden.
Moderna astronomiska anläggningar har visat oss att universum inte består av bara tusentals stjärnor - det består av hundratals miljarder stjärnor bara i vår galax med biljoner galaxer. Observatorier har lärt oss om universumets födelse och utveckling. Och den 3 augusti gjorde en ny anläggning sitt första materiella tillkännagivande och ökade vår förståelse av kosmos. Det gör att vi kan se det osynliga, och det visade att materiens fördelning i universum skilde sig lite från förväntningarna.
The Dark Energy Survey (DES) är ett samarbete mellan cirka 400 forskare som har börjat på ett femårigt uppdrag för att studera avlägsna galaxer för att svara på frågor om universums historia. Den använder Dark Energy Camera (DEC) ansluten till Victor M. Blanco 4-meter teleskop vid Cerro Tololo interamerikanska observatoriet i de chilenska Anderna. DEC samlades i USA i Fermilab nära Batavia, Illinois, och är en 570 megapixelkamera som kan avbilda galaxer så långt bort att deras ljus är en miljon så ljust som de mörkaste synliga stjärnorna.
Mörk energi och mörk materia
DES jakter på mörk energi, som är ett föreslaget energifält i universum som är en avvisande tyngdform. Medan tyngdkraften utövar en oemotståndlig attraktion, pressar mörk energi universum att expandera i en allt högre takt. Effekten observerades först 1998 och vi har fortfarande många frågor om dess natur.
Men genom att mäta placeringen och avståndet för 300 miljoner galaxer på den södra natthimlen, kommer undersökningen att kunna göra viktiga uttalanden om ett annat astronomiskt mysterium, kallad mörk materia. Mörk materia anses vara fem gånger vanligare i universum än vanlig materia. Ändå interagerar det inte med ljus, radiovågor eller någon form av elektromagnetisk energi. Och det verkar inte samlas för att bilda stora kroppar som planeter och stjärnor.
Det finns inget sätt att direkt se mörk materia (därav namnet). Effekterna kan dock ses indirekt genom att analysera hur snabba galaxer roterar. Om du beräknar rotationshastigheterna som stöds av galaxernas synliga massa, kommer du att upptäcka att de roterar snabbare än de borde. Av alla rättigheter bör dessa galaxer rivas isär. Efter decennier av forskning har astronomer kommit fram till att varje galax innehåller mörk materia, vilket genererar den extra tyngdkraften som håller galaxerna samman.
Mörk materia i universum
I universums mycket större skala är det emellertid inte tillräckligt med att studera enskilda galaxer. En annan metod behövs. För det måste astronomer använda en teknik som kallas gravitationslinsning.
Gravitationslinsning förutsades 1916 av Albert Einstein och observerades först av Sir Arthur Eddington 1919. Einsteins teori om generell relativitet säger att tyngdkraften som vi upplever verkligen orsakas av rymdtidens krökning. Eftersom ljus rör sig i en rak linje genom rymden, om rymdtid är böjd, kommer det att se till en betraktare som om ljus färdade en böjd väg genom rymden.
Detta fenomen kan utnyttjas för att studera mängden och fördelningen av mörk materia i universum. Forskare som tittar på en avlägsen galax (kallad linsningsgalaxen), som har en annan galax ännu längre bort bakom den (kallas den observerade galaxen), kan se en förvrängd bild av den observerade galaxen. Distorsionen är relaterad till massan i linsningsgalaxen. Eftersom linsningsgalaxens massa är en kombination av synlig substans och mörk materia, gör att gravitationslinser möjliggör för forskare att direkt observera existensen och fördelningen av mörk materia på skalor lika stora som universum självt. Denna teknik fungerar också när ett stort kluster av förgrundsgalaxer snedvrider bilderna av kluster av ännu mer avlägsna galaxer, vilket är den teknik som används för denna mätning.
Klumpig eller inte?
DES-samarbetet släppte nyligen en analys med exakt denna teknik. Teamet tittade på ett urval av 26 miljoner galaxer på fyra olika avstånd från Jorden. De närmare galaxerna linsade de som var längre bort. Genom att använda denna teknik och titta noggrant på förvrängningen av bilderna från alla galaxerna kunde de kartlägga fördelningen av osynlig mörk materia och hur den rörde sig och klumpade sig under de senaste 7 miljarder åren, eller halva livslängden för universum.
Som förväntat fann de att universumets mörka materia var "klumpig". Det var dock en överraskning - det var lite mindre klumpigt än tidigare mätningar hade förutspått.
En av dessa motstridiga mätningar kommer från den kvarvarande radiosignalen från tidigaste tiden efter Big Bang, kallad den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). CMB innehåller inom sig distributionen av energi i kosmos när den var 380 000 år gammal. 1998 tillkännagav Cosmic Background Explorer (COBE) samarbetet att CMB inte var perfekt enhetligt, utan snarare hade heta och kalla ställen som skilde sig från uniform med 1 del i 100 000. Wilkinson-mikrovågsanisotropysonden (WMAP) och Planck-satelliterna bekräftade och förfinade COBE-mätningarna.
Under de sju miljarder åren mellan CMB-utsläppet och den tidsperiod som studerades av DES såg de varmare regionerna i universum till kosmosstrukturen. Icke-enhetlig energifördelning som fångats i CMB, i kombination med förstärkningen av tyngdkraften, fick vissa fläckar i universum att bli tätare och andra mindre. Resultatet är universum vi ser runt oss.
CMB förutsäger fördelningen av mörk materia av ett enkelt skäl: Materialfördelningen i vårt universum i nutiden beror på dess distribution tidigare. Trots allt, om det fanns en klump av materia i det förflutna, skulle den materia locka närliggande materia och klumpen skulle växa. På samma sätt, om vi skulle projicera in i en avlägsen framtid, skulle fördelningen av materien idag påverka morgondagens av samma anledning.
Så forskare har använt mätningar av CMB vid 380 000 år efter Big Bang för att beräkna hur universum ska se ut 7 miljarder år senare. När de jämförde förutsägelserna med mätningarna från DES, fann de att DES-mätningarna var lite mindre klumpiga än förutsägelserna.
Ofullständig bild
Är det en stor sak? Kanske. Osäkerheten eller felet i de två mätningarna är tillräckligt stor för att det betyder att de inte håller med på ett statistiskt signifikant sätt. Vad det helt enkelt betyder är att ingen kan vara säker på att de två mätningarna verkligen inte håller med. Det kan vara så att skillnaderna uppstår av en slump på grund av statistiska fluktuationer i data eller små instrumentella effekter som inte beaktades.
Även studiens författare skulle föreslå försiktighet här. DES-mätningarna har ännu inte granskats. Artiklarna lämnades in för offentliggörande och resultaten presenterades vid konferenser, men fasta slutsatser bör vänta tills domarens rapporter kommer in.
Så vad är framtiden? DES har ett femårigt uppdrag, varav fyra års data har registrerats. Det nyligen tillkännagivna resultatet använder bara det första års värdet av data. Nyare data analyseras fortfarande. Vidare kommer hela datauppsättningen att täcka 5 000 kvadratgrader av himlen, medan det senaste resultatet bara täcker 1 500 kvadratgrader och kikar bara hälften av vägen tillbaka i tiden. Således är historien uppenbarligen inte komplett. En analys av hela datauppsättningen förväntas inte förrän kanske 2020.
Ändå kan de data som tas i dag redan betyda att det finns en möjlig spänning i vår förståelse av universums utveckling. Och även om denna spänning försvinner när mer data analyseras fortsätter DES-samarbetet att göra andra mätningar. Kom ihåg att bokstäverna "DE" i namnet står för mörk energi. Denna grupp kommer så småningom att kunna berätta för oss något om beteendet hos mörk energi i det förflutna och vad vi kan förvänta oss att se i framtiden. Denna senaste mätning är bara början på vad som förväntas bli en vetenskapligt fascinerande tid.
Denna version av artikeln publicerades ursprungligen på Live Science.
