Nasz wszechświat ma około 13,8 miliarda lat. W tym ogromnym okresie małe początkowe asymetrie przekształciły się w duże struktury, które możemy dziś zobaczyć przez teleskopy: galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna, gromady galaktyk oraz większe grupy materii i filamenty gazu i pyłu. Szybkość tego wzrostu zależy od rywalizacji naturalnych sił: czy ciemna materia, która utrzymuje wszystko razem swoją grawitacją i przyciąga dodatkową materię, może utrzymać równowagę przeciwko ciemnej energii, która popycha wszechświat coraz dalej? Precyzyjne pomiary struktur na niebie pozwalają nam obserwować tę walkę, podkreśla astrofizyk z LMU, Daniel Grün. Tutaj wkraczają projekty obserwacji teleskopowych, które precyzyjnie rejestrują duże części nieba. Na przykład, istnieje Dark Energy Survey z teleskopem Blanco w Chile i niedawno uruchomiony satelita Euclid. Naukowcy z LMU są zaangażowani w oba projekty od lat.

Największy jak dotąd analizowany zbiór danych
Chociaż precyzyjne określenie odległości pojedynczych struktur i galaktyk od nas nie zawsze jest proste, jest to niezwykle ważne. Im dalej jest galaktyka, tym dłużej światło do nas docierało i tym starszy jest obraz wszechświata, który ujawnia jej obserwacja. Obserwowana barwa galaktyki, mierzona przez teleskopy takie jak Blanco lub satelity takie jak Euclid, dostarcza kluczowych informacji. Nowe badanie zespołu kierowanego przez Jamie McCullough i Daniela Grüna, opublikowane w czasopiśmie MNRAS, przeanalizowało największy jak dotąd zbiór danych i rzuciło światło na to, co kolor różnych galaktyk faktycznie mówi o ich rzeczywistej odległości.

Odległość galaktyki można precyzyjnie określić za pomocą spektroskopii, mierząc linie spektralne odległych galaktyk. W miarę rozszerzania się wszechświata, te linie pojawiają się na dłuższych falach, im dalej jest galaktyka od nas. Fale świetlne odległych galaktyk rozciągają się w czasie długiej podróży do nas, zmieniając pozorne kolory, które mierzą instrumenty. Ten efekt, znany jako przesunięcie ku czerwieni, sprawia, że galaktyki wydają się bardziej czerwone, niż są w rzeczywistości, podobnie jak efekt Dopplera w przypadku dźwięku syreny karetki.

Nie ma dwóch identycznych galaktyk
Jamie McCullough, doktorantka na LMU i Uniwersytecie Stanforda, wykorzystała spektroskopowe pomiary z Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) w połączeniu z największym dotychczas zbiorem danych do precyzyjnego pomiaru barw galaktyk (KiDS-VIKING) do swojej analizy. Autorzy połączyli dane spektroskopowe z DESI dla 230 000 galaktyk z kolorami tych galaktyk w badaniu KiDS-VIKING, aby określić związek między odległością galaktyki od nas a jej obserwowaną barwą i jasnością. Nie ma dwóch identycznych galaktyk, ale dla każdej klasy podobnych galaktyk istnieje specyficzny związek między obserwowaną barwą a przesunięciem ku czerwieni. "Łącząc informacje o odległości z pomiarami kształtów galaktyk, możemy wyprowadzić duże struktury z zniekształceń światła," mówi Jamie McCullough. Wyniki badania umożliwiają statystyczne określenie rzeczywistej odległości każdej galaktyki obserwowanej na obrazach wykonanych przez Euclid lub Dark Energy Survey.

Interaktywny lot przez miliony galaktyk
Analizując obserwowane zniekształcenia obrazów galaktyk, naukowcy będą mogli dowiedzieć się więcej o zachowaniu struktur kosmicznych dziś i miliardy lat temu oraz lepiej je zrozumieć. To dostarczy wglądu w ewolucyjną historię wszechświata. Aby móc obserwować przebieg formowania się struktur w czasie, wystarczy zmierzyć struktury na różnych odległościach od Ziemi. Same obrazy to prawie niemożliwe, ponieważ odległości galaktyki nie można określić na podstawie jej wyglądu na obrazie. Badanie Jamie McCullough dostarcza klucz do tego problemu, dostarczając model dla tego, co pozorna "barwa" galaktyki mówi o jej odległości od nas.

Obserwacja walki między ciemną materią a ciemną energią
Głównym celem tych precyzyjnych obserwacji i rozkładu galaktyk na różnych odległościach jest uzyskanie wglądu w wielką walkę naturalnych sił ciemnej materii i ciemnej energii. "Aby naprawdę zobaczyć, co się dzieje, musisz być w stanie obserwować poszczególne rundy tej walki," mówi Grün. Ciemna energia jest gotowa nadrobić zaległości i potencjalnie zatrzymać tworzenie większych skupisk masy we wszechświecie. "Tylko wtedy zrozumiemy, czym naprawdę są ciemna materia i ciemna energia oraz która z nich ostatecznie przeważy."

Nowe spostrzeżenia z misji Euclid
Misja Euclid, prowadzona przez ESA, niedawno opublikowała swoje pierwsze naukowe obrazy, które pokazują zdolność teleskopu do uchwycenia całej gromady galaktyk Perseusza na jednym obrazie. Euclid zmapuje obszar 30 000 razy większy niż ten obraz, umożliwiając badanie ciemnej energii, która przyspiesza rozszerzanie się wszechświata. Ciemna materia, pięciokrotnie częstsza niż zwykła materia, zostanie zmapowana w celu zbadania jej rozkładu i wpływu na ciemną energię poprzez 3D mapę Euclida. Naukowcy oczekują, że ta misja dostarczy nowych spostrzeżeń na temat tych wielkich kosmologicznych tajemnic.

Postępy w zrozumieniu ciemnej energii
Naukowcy z DES wykorzystali technikę supernowych, aby określić historię rozszerzania się wszechświata. Ta metoda wykorzystuje supernowe typu Ia, które mają prawie tę samą rzeczywistą jasność, umożliwiając precyzyjne określenie względnych odległości. Wyniki DES pokazują, że ciemna energia może się zmieniać w czasie, co wymaga dodatkowych danych do ostatecznych wniosków. Te wyniki są kluczowe dla zrozumienia przyspieszonej ekspansji wszechświata i przyszłych projektów badawczych.

Źródło: National Aeronautics and Space Administration