Астрофизики заполнили 11 миллиардов лет истории расширения Вселенной

«Мы достаточно хорошо знаем и древнюю историю Вселенной, и недавнюю историю ее расширения, но в середине 11 миллиардов лет есть пробел», - говорит космолог Кайл Доусон из Университета Юты, который возглавляет команду, объявляющую сегодняшние результаты. «В течение 5 лет мы работали над тем, чтобы восполнить этот пробел, и мы используем эту информацию, чтобы обеспечить некоторые из наиболее значительных достижений в космологии за последнее десятилетие».

Новые результаты получены в результате расширенного барионного осцилляционного спектроскопического исследования (eBOSS), международного сотрудничества более 100 астрофизиков, которое является одним из компонентных исследований SDSS. В основе новых результатов лежат подробные измерения более двух миллионов галактик и квазаров, охватывающих 11 миллиардов лет космического времени.

Нам известно, как выглядела Вселенная в зачаточном состоянии, благодаря тысячам ученых со всего мира, которые измерили относительное количество элементов, созданных вскоре после Большого взрыва, и которые изучали космический микроволновый фон. Мы также знаем историю его расширения за последние несколько миллиардов лет по картам галактик и измерениям расстояний, в том числе из предыдущих фаз SDSS.

«Объединение подробного анализа карт eBOSS и более ранних экспериментов SDSS теперь обеспечивают наиболее точные измерения истории расширения в самом широком диапазоне космического времени», - говорит Уилл Персиваль из Университета Ватерлоо, исследователь eBOSS. «Эти исследования позволяют нам соединить все измерения в полную историю расширения Вселенной».

При внимательном рассмотрении карты обнаруживаются нити и пустоты, которые определяют структуры во Вселенной, начиная с того времени, когда Вселенной было всего около 300 000 лет. На этой карте исследователи измеряют закономерности в распределении галактик, которые дают несколько ключевых параметров нашей Вселенной с точностью, превышающей 1 процент. Сигналы этих закономерностей показаны на вставках на изображении.

Эта карта представляет собой совместное усилие более 20 лет картирования Вселенной с использованием телескопа Sloan Foundation. Космическая история на этой карте показывает, что около 6 миллиардов лет назад расширение Вселенной начало ускоряться и с тех пор продолжает расти все быстрее и быстрее. Это ускоренное расширение связано с таинственным невидимым компонентом Вселенной - темной энергией, в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна, но чрезвычайно трудно согласиться с нашим нынешним пониманием физики элементарных частиц.

Объединение наблюдений от eBOSS с исследованиями Вселенной в ее младенчестве обнаруживает трещины в этой картине Вселенной. В частности, измерение командой eBOSS текущей скорости расширения Вселенной (Константа Хаббла) примерно на 10 % ниже значения, найденного на расстоянии до ближайших галактик. Высокая точность данных eBOSS означает малую вероятность, что это несоответствие случайность, а большое разнообразие данных eBOSS дает несколько независимых способов сделать один и тот же вывод.

«Только с такими картами, как наша, можно с уверенностью сказать, что в константе Хаббла есть несоответствие», - говорит Ева-Мария Мюллер из Оксфордского университета, которая привела анализ к интерпретации результатов полной выборки SDSS. «Эти новейшие карты от eBOSS показывают это более четко, чем когда-либо».

Не существует общепринятого объяснения расхождению в измеренных скоростях расширения, но есть возможность того, что ранее неизвестная форма материи или энергии из ранней Вселенной могла оставить след в нашей истории.

В общей сложности команда eBOSS опубликовала результаты более чем 20 научных работ. В этих документах на более чем 500 страницах содержится анализ команды последних данных eBOSS, отмечающий достижение основных целей исследования.

В команде eBOSS отдельные группы университетов по всему миру сосредоточились на различных аспектах анализа. Чтобы создать часть карты, насчитывающую 6 миллиардов лет, команда использовала большие красные галактики. Дальше они использовали молодые голубые галактики. Наконец, чтобы составить карту Вселенной за 11 миллиардов лет и более, они использовали квазары - яркие галактики, освещенные материалом, падающим на центральную сверхмассивную черную дыру. Каждый из этих образцов требует тщательного анализа, чтобы удалить загрязняющие вещества и выявить закономерности Вселенной.

«Комбинируя данные SDSS с дополнительными данными космического микроволнового фона, сверхновых и других программ, мы можем одновременно измерять многие фундаментальные свойства Вселенной», - говорит Мюллер. «Данные SDSS охватывают такой большой диапазон космического времени, что обеспечивают наибольшие успехи любого зонда для измерения геометрической кривизны Вселенной, считая ее плоской. Они также позволяют лучше измерять скорость локального расширения».

eBOSS и SDSS оставляют загадку темной энергии и несоответствие скорости расширения локальной и ранней Вселенной как наследство для будущих проектов. В следующем десятилетии будущие обзоры могут решить загадку, или, возможно, покажут больше сюрпризов.