Don Lincoln is senior wetenschapper bij het Amerikaanse Department of Energy Fermilab, 's lands grootste Large Hadron Collider-onderzoeksinstelling. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, waaronder zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Blow Mind'(Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgenFacebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.comExpert Voices: Op-Ed & Insights.
Zolang we gegevens hebben bijgehouden, heeft de mensheid zich verwonderd over de nachtelijke hemel. We hebben naar de hemel gekeken om de wil van de goden te bepalen en ons af te vragen wat de betekenis hiervan is. De slechts 5000 sterren die we met het blote oog kunnen zien, zijn al duizenden jaren de metgezellen van de mensheid.
Moderne astronomische faciliteiten hebben ons laten zien dat het universum niet uit slechts duizenden sterren bestaat - het bestaat alleen al uit honderden miljarden sterren in ons sterrenstelsel, met biljoenen sterrenstelsels. Observatoria hebben ons geleerd over de geboorte en evolutie van het universum. En op 3 augustus deed een nieuwe faciliteit zijn eerste inhoudelijke aankondiging en voegde toe aan ons begrip van de kosmos. Het stelt ons in staat het onzichtbare te zien en het toonde aan dat de verspreiding van materie in het universum een beetje verschilde van de verwachtingen.
The Dark Energy Survey (DES) is een samenwerking van ongeveer 400 wetenschappers die een missie van vijf jaar zijn begonnen om verre sterrenstelsels te bestuderen om vragen over de geschiedenis van het universum te beantwoorden. Het maakt gebruik van de Dark Energy Camera (DEC) die is bevestigd aan de Victor M. Blanco 4-meter telescoop op het Cerro Tololo Inter-American Observatory in de Chileense Andes. DEC is in de Verenigde Staten geassembleerd in Fermilab bij Batavia, Illinois, en is een 570 megapixel camera die sterrenstelsels zo ver weg kan fotograferen dat hun licht een miljoenste zo helder is als de zwakste zichtbare sterren.
Donkere energie en donkere materie
DES jaagt op donkere energie, een voorgesteld energieveld in het universum dat een weerzinwekkende vorm van zwaartekracht is. Terwijl de zwaartekracht een onweerstaanbare aantrekkingskracht uitoefent, dwingt donkere energie het universum om zich steeds sneller uit te breiden. Het effect werd voor het eerst waargenomen in 1998 en we hebben nog steeds veel vragen over de aard ervan.
Door echter de locatie en afstand van 300 miljoen sterrenstelsels in de zuidelijke nachtelijke hemel te meten, kan de enquête belangrijke uitspraken doen over een ander astronomisch mysterie, donkere materie genaamd. Men denkt dat donkere materie vijf keer vaker voorkomt in het universum dan gewone materie. Maar het heeft geen interactie met licht, radiogolven of enige vorm van elektromagnetische energie. En het lijkt niet samen te komen om grote lichamen te vormen zoals planeten en sterren.
Er is geen manier om donkere materie direct te zien (vandaar de naam). De effecten kunnen echter indirect worden gezien door te analyseren hoe snel sterrenstelsels draaien. Als je de rotatiesnelheden berekent die worden ondersteund door de zichtbare massa van sterrenstelsels, zul je ontdekken dat ze sneller roteren dan zou moeten. Volgens alle rechten zouden deze sterrenstelsels uit elkaar moeten worden gerukt. Na tientallen jaren van onderzoek hebben astronomen geconcludeerd dat elk sterrenstelsel donkere materie bevat, die de extra zwaartekracht genereert die de sterrenstelsels bij elkaar houdt.
Donkere materie in het universum
Op de veel grotere schaal van het universum is het bestuderen van individuele sterrenstelsels echter niet voldoende. Er is een andere aanpak nodig. Daarvoor moeten astronomen een techniek gebruiken die zwaartekrachtlensing wordt genoemd.
Gravitational lensing werd in 1916 voorspeld door Albert Einstein en werd voor het eerst waargenomen door Sir Arthur Eddington in 1919. Einstein's theorie van algemene relativiteitstheorie zegt dat de zwaartekracht die we ervaren echt wordt veroorzaakt door de kromming van de ruimtetijd. Aangezien licht in een rechte lijn door de ruimte reist, zal het, als de ruimtetijd gekromd is, naar een waarnemer kijken alsof het licht een gebogen pad door de ruimte aflegt.
Dit fenomeen kan worden gebruikt om de hoeveelheid en verspreiding van donkere materie in het universum te bestuderen. Wetenschappers die naar een ver sterrenstelsel kijken (het lensstelsel genoemd), dat nog een verder weg gelegen melkwegstelsel heeft (het waargenomen sterrenstelsel genoemd), kunnen een vervormd beeld van het waargenomen sterrenstelsel zien. De vervorming is gerelateerd aan de massa van het lensstelsel. Omdat de massa van het lensstelsel een combinatie is van zichtbare materie en donkere materie, stellen gravitationele lensing wetenschappers in staat het bestaan en de distributie van donkere materie op een schaal zo groot als het universum zelf rechtstreeks te observeren. Deze techniek werkt ook wanneer een grote cluster van voorgrondstelsels de beelden van clusters van nog verder weg gelegen sterrenstelsels vervormt, wat de techniek is die voor deze meting wordt gebruikt.
Bubbel of niet?
De DES-samenwerking heeft onlangs een analyse vrijgegeven met precies deze techniek. Het team bekeek een steekproef van 26 miljoen sterrenstelsels op vier verschillende afstanden van de aarde. De dichter bij elkaar gelegen sterrenstelsels waren verder van de lens verwijderd. Door deze techniek te gebruiken en zorgvuldig te kijken naar de vervorming van de beelden van alle sterrenstelsels, waren ze in staat om de verspreiding van onzichtbare donkere materie in kaart te brengen en hoe deze de afgelopen 7 miljard jaar, of de helft van de levensduur van de universum.
Zoals verwacht, ontdekten ze dat de donkere materie van het universum 'klonterig' was. Er was echter een verrassing - het was iets minder klonterig dan eerdere metingen hadden voorspeld.
Een van deze tegenstrijdige metingen komt van het restantradiosignaal van de vroegste tijd na de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De CMB bevat de distributie van energie in de kosmos toen deze 380.000 jaar oud was. In 1998 kondigde de Cosmic Background Explorer (COBE) -samenwerking aan dat de CMB niet perfect uniform was, maar eerder warme en koude plekken had die met 1 deel op 100.000 verschilden van uniform. De Wilkinson-microgolfanisotropiesonde (WMAP) en Planck-satellieten bevestigden en verfijnden de COBE-metingen.
Gedurende de 7 miljard jaar tussen het uitzenden van de CMB en de door DES bestudeerde tijdsperiode, zaaiden die warmere gebieden van het universum de vorming van de structuur van de kosmos. Door de niet-uniforme energieverdeling die in de CMB werd opgevangen, gecombineerd met de versterkende zwaartekracht, werden sommige plekken in het universum dichter en andere minder. Het resultaat is het universum dat we om ons heen zien.
De CMB voorspelt de verspreiding van donkere materie om een simpele reden: de distributie van materie in ons universum in het heden hangt af van de distributie in het verleden. Immers, als er in het verleden een massa materie was, zou die materie nabijgelegen materie aantrekken en zou de massa groeien. Evenzo, als we in de verre toekomst zouden projecteren, zou de verspreiding van materie om dezelfde reden morgen van invloed zijn op de toekomst van morgen.
Wetenschappers hebben dus metingen van de CMB op 380.000 jaar na de oerknal gebruikt om te berekenen hoe het universum er 7 miljard jaar later uit zou moeten zien. Toen ze de voorspellingen vergeleken met de metingen van DES, ontdekten ze dat de DES-metingen iets minder klonterig waren dan de voorspellingen.
Onvolledig beeld
Is dat een groot probleem? Kan zijn. De onzekerheid of fout in de twee metingen is groot genoeg om te betekenen dat ze het op een statistisch significante manier niet oneens zijn. Wat dat simpelweg betekent, is dat niemand er zeker van kan zijn dat de twee metingen het echt niet met elkaar eens zijn. Het kan zijn dat de discrepanties toevallig ontstaan door statistische fluctuaties in de gegevens of kleine instrumentele effecten die niet in aanmerking zijn genomen.
Zelfs de auteurs van de studie suggereren hier voorzichtigheid. De DES-metingen zijn nog niet door vakgenoten beoordeeld. De papers zijn ingediend voor publicatie en de resultaten zijn gepresenteerd op conferenties, maar definitieve conclusies moeten wachten tot de referentenrapporten binnenkomen.
Dus, wat is de toekomst? DES heeft een missie van vijf jaar, waarvan vier jaar aan gegevens zijn vastgelegd. Het onlangs aangekondigde resultaat gebruikt alleen de gegevens van het eerste jaar. Meer recente gegevens worden nog steeds geanalyseerd. Verder zal de volledige dataset 5000 vierkante graden van de hemel beslaan, terwijl het recente resultaat slechts 1500 vierkante graden beslaat en slechts de helft van de tijd terug in de tijd is. Het verhaal is dus duidelijk niet compleet. Een analyse van de volledige dataset wordt waarschijnlijk pas in 2020 verwacht.
Maar de gegevens die vandaag zijn verzameld, kunnen al betekenen dat er een mogelijke spanning zit in ons begrip van de evolutie van het universum. En zelfs als die spanning verdwijnt naarmate meer gegevens worden geanalyseerd, blijft de DES-samenwerking andere metingen doen. Onthoud dat de letters "DE" in de naam staan voor donkere energie. Deze groep kan ons uiteindelijk iets vertellen over het gedrag van donkere energie in het verleden en wat we in de toekomst kunnen verwachten. Deze recente meting is nog maar het begin van wat naar verwachting een wetenschappelijk fascinerende tijd zal zijn.
Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.
