Εφαρμόζοντας την αιχμή της επιστήμης των υπολογιστών σε πληθώρα νέων αστρονομικών δεδομένων, ερευνητές από την έρευνα Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ανέφεραν σήμερα την πρώτη ισχυρή ανίχνευση της κοσμικής μεγέθυνσης σε μεγάλες κλίμακες, μια πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν που εφαρμόζεται στην κατανομή των γαλαξιών , σκοτεινή ύλη και μακρινά κβάζαρ.
Αυτά τα ευρήματα, που έγιναν αποδεκτά για δημοσίευση στο The Astrophysical Journal, περιγράφουν λεπτομερώς τις λεπτές παραμορφώσεις που υφίσταται το φως καθώς ταξιδεύει από μακρινά κβάζαρ μέσω του ιστού της σκοτεινής ύλης και των γαλαξιών πριν φτάσει σε παρατηρητές εδώ στη Γη.
Η ανακάλυψη SDSS τερματίζει μια διαφωνία δύο δεκαετιών μεταξύ προηγούμενων μετρήσεων μεγέθυνσης και άλλων κοσμολογικών δοκιμών της σχέσης μεταξύ γαλαξιών, σκοτεινής ύλης και της συνολικής γεωμετρίας του σύμπαντος.
«Η παραμόρφωση των σχημάτων των γαλαξιών στο παρασκήνιο λόγω του βαρυτικού φακού παρατηρήθηκε για πρώτη φορά πριν από μια δεκαετία, αλλά κανείς δεν μπόρεσε να ανιχνεύσει αξιόπιστα το τμήμα μεγέθυνσης του σήματος φακού», εξήγησε ο επικεφαλής ερευνητής Ryan Scranton του Πανεπιστημίου του Πίτσμπουργκ.
Καθώς το φως κάνει το ταξίδι του 10 δισεκατομμυρίων ετών από ένα μακρινό κβάζαρ, εκτρέπεται και εστιάζεται από τη βαρυτική έλξη της σκοτεινής ύλης και των γαλαξιών, ένα φαινόμενο γνωστό ως βαρυτικός φακός. Οι ερευνητές του SDSS μέτρησαν οριστικά την ελαφριά λάμψη ή «μεγέθυνση» των κβάζαρ και συνδέουν το αποτέλεσμα με την πυκνότητα των γαλαξιών και της σκοτεινής ύλης κατά μήκος της διαδρομής του φωτός του κβάζαρ. Η ομάδα SDSS εντόπισε αυτήν τη μεγέθυνση με τη φωτεινότητα των 200.000 κβάζαρ.
Ενώ ο βαρυτικός φακός είναι μια θεμελιώδης πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, η ανακάλυψη της συνεργασίας SDSS προσθέτει μια νέα διάσταση.
«Η παρατήρηση του φαινομένου μεγέθυνσης είναι μια σημαντική επιβεβαίωση μιας βασικής πρόβλεψης της θεωρίας του Αϊνστάιν», εξήγησε ο συνεργάτης του SDSS Bob Nichol στο Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ (Ηνωμένο Βασίλειο). "Μας δίνει επίσης έναν κρίσιμο έλεγχο συνέπειας στο πρότυπο μοντέλο που αναπτύχθηκε για να εξηγήσει την αλληλεπίδραση των γαλαξιών, των γαλαξιακών συστάδων και της σκοτεινής ύλης."
Οι αστρονόμοι προσπαθούν να μετρήσουν αυτήν την πτυχή του βαρυτικού φακού για δύο δεκαετίες. Ωστόσο, το σήμα μεγέθυνσης είναι ένα πολύ μικρό εφέ - όσο μικρότερο αυξάνεται κατά τοις εκατό το φως που προέρχεται από κάθε κβάζαρ. Η ανίχνευση μιας τόσο μικρής αλλαγής απαιτούσε ένα πολύ μεγάλο δείγμα κβάζαρ με ακριβείς μετρήσεις της φωτεινότητας τους.
«Ενώ πολλές ομάδες έχουν αναφέρει ανιχνεύσεις κοσμικής μεγέθυνσης στο παρελθόν, τα σύνολα δεδομένων τους δεν ήταν αρκετά μεγάλα ή αρκετά ακριβή για να επιτρέψουν μια οριστική μέτρηση και τα αποτελέσματα ήταν δύσκολο να συνδυαστούν με την τυπική κοσμολογία», πρόσθεσε ο Brice Menard, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προχωρημένης Μελέτης στο Princeton, NJ.
Η ανακάλυψη ήρθε νωρίτερα φέτος χρησιμοποιώντας ένα ακριβώς βαθμονομημένο δείγμα 13 εκατομμυρίων γαλαξιών και 200.000 κβάζαρ από τον κατάλογο SDSS. Τα πλήρως ψηφιακά δεδομένα που διατίθενται από το SDSS έλυσαν πολλά από τα τεχνικά προβλήματα που έπληξαν τις προηγούμενες προσπάθειες μέτρησης της μεγέθυνσης. Ωστόσο, το κλειδί για τη νέα μέτρηση ήταν η ανάπτυξη ενός νέου τρόπου εύρεσης κβάζαρ στα δεδομένα SDSS.
«Πήραμε πρωτοποριακές ιδέες από τον κόσμο της πληροφορικής και των στατιστικών και τις εφαρμόσαμε στα δεδομένα μας», εξήγησε ο Γκόρντον Ρίτσαρντς του Πανεπιστημίου του Πρίνστον.
Ο Richards εξήγησε ότι χρησιμοποιώντας νέες στατιστικές τεχνικές, οι επιστήμονες του SDSS μπόρεσαν να εξαγάγουν ένα δείγμα κβάζαρ 10 φορές μεγαλύτερο από τις συμβατικές μεθόδους, επιτρέποντας την εξαιρετική ακρίβεια που απαιτείται για την εύρεση του σήματος μεγέθυνσης. «Η σαφής ανίχνευση του σήματος φακού δεν θα μπορούσε να γίνει χωρίς αυτές τις τεχνικές», κατέληξε ο Richards.
Πρόσφατες παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας κατανομής των γαλαξιών, του Κοσμικού Φούρνου Μικροκυμάτων και των μακρινών σουπερνόβων οδήγησαν τους αστρονόμους να αναπτύξουν ένα «πρότυπο μοντέλο» της κοσμολογίας. Σε αυτό το μοντέλο, οι ορατοί γαλαξίες αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό κλάσμα όλης της μάζας του σύμπαντος, ενώ το υπόλοιπο φτιάχνεται από σκοτεινή ύλη.
Όμως, για να συνδυαστούν οι προηγούμενες μετρήσεις του κοσμικού σήματος μεγέθυνσης με αυτό το μοντέλο, απαιτούνται αδικαιολόγητες υποθέσεις σχετικά με τον τρόπο κατανομής των γαλαξιών σε σχέση με την κυρίαρχη σκοτεινή ύλη. Αυτό οδήγησε ορισμένους στο συμπέρασμα ότι η βασική κοσμολογική εικόνα ήταν λανθασμένη ή τουλάχιστον ασυνεπής. Ωστόσο, τα πιο ακριβή αποτελέσματα SDSS δείχνουν ότι τα προηγούμενα σύνολα δεδομένων πιθανότατα δεν ανταποκρίνονταν στην πρόκληση της μέτρησης.
«Με τα ποιοτικά δεδομένα από το SDSS και την πολύ καλύτερη μέθοδο επιλογής κβάζαρ, έχουμε θέσει αυτό το πρόβλημα σε ηρεμία», δήλωσε ο Scranton. «Η μέτρησή μας συμφωνεί με τα υπόλοιπα όσα μας λέει το σύμπαν και επιλύεται η εντυπωσιακή διαφωνία».
«Τώρα που αποδείξαμε ότι μπορούμε να κάνουμε μια αξιόπιστη μέτρηση της κοσμικής μεγέθυνσης, το επόμενο βήμα θα είναι να το χρησιμοποιήσουμε ως εργαλείο για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ γαλαξιών, σκοτεινής ύλης και φωτός με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια», δήλωσε ο Andrew Connolly του Πανεπιστημίου του Πίτσμπουργκ.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων SDSS
