In 1929 veranderde Edwin Hubble voor altijd ons begrip van de kosmos door te laten zien dat het heelal in een staat van expansie verkeert. In de jaren negentig stelden astronomen vast dat de snelheid waarmee het zich uitbreidt, feitelijk aan het versnellen is, wat op zijn beurt leidde tot de theorie van "Dark Energy". Sinds die tijd hebben astronomen en natuurkundigen geprobeerd het bestaan van deze kracht te bepalen door de invloed ervan op de kosmos te meten.
Het nieuwste van deze inspanningen is afkomstig van de Sloan Digital Sky Survey III (SDSS III), waar een internationaal team van onderzoekers heeft aangekondigd dat ze klaar zijn met het maken van de meest nauwkeurige metingen van het heelal tot nu toe. Bekend als de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), hebben hun metingen nieuwe beperkingen opgelegd aan de eigenschappen van Dark Energy.
De nieuwe metingen werden gepresenteerd door Harvard University-astronoom Daniel Eisenstein tijdens een recente bijeenkomst van de American Astronomical Society. Als directeur van de Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) hebben hij en zijn team de afgelopen tien jaar de kosmos en de periodieke fluctuaties in de dichtheid van normale materie gemeten om te zien hoe sterrenstelsels door het heelal zijn verspreid.
En na tien jaar onderzoek kon het BOSS-team een driedimensionale kaart van de kosmos maken die meer dan zes miljard lichtjaar beslaat. En terwijl andere recente onderzoeken verder weg hebben gekeken - tot afstanden van 9 en 13 miljard lichtjaar - is de BOSS-kaart uniek omdat hij de hoogste nauwkeurigheid biedt van elke kosmologische kaart.
Het BOSS-team kon zelfs de verdeling van sterrenstelsels in de kosmos en op een afstand van 6 miljard lichtjaar meten tot binnen een ongekende foutenmarge van 1%. Het bepalen van de aard van kosmische objecten op grote afstanden is vanwege de relativiteitseffecten niet eenvoudig. Zoals Dr. Eisenstein Space Magazine via e-mail vertelde:
“Afstanden zijn een langdurige uitdaging in de astronomie. Terwijl mensen vaak afstand kunnen beoordelen vanwege ons binoculaire zicht, zijn sterrenstelsels buiten de Melkweg veel te ver weg om dat te gebruiken. En omdat sterrenstelsels in een groot aantal intrinsieke maten voorkomen, is het moeilijk om hun afstand te beoordelen. Het is alsof je naar een berg in de verte kijkt; iemands oordeel over de afstand hangt samen met zijn oordeel over de hoogte. "
In het verleden hebben astronomen nauwkeurige metingen verricht van objecten in het lokale universum (dwz planeten, naburige sterren, sterrenhopen) door te vertrouwen op alles, van radar tot roodverschuiving - de mate waarin de golflengte van licht naar het rode uiteinde van de spectrum. Maar hoe groter de afstand van een object, hoe groter de onzekerheid.
En tot nu toe is de afstand van alleen objecten die zich op een paar duizend lichtjaar van de aarde bevinden - d.w.z. binnen het Melkwegstelsel - gemeten binnen een foutenmarge van één procent. Als het grootste van de vier projecten die deel uitmaken van de Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III), onderscheidt BOSS zich door het feit dat het voornamelijk afhankelijk is van de meting van zogenaamde "baryon akoestische oscillaties" (BAO's).
Dit zijn in wezen subtiele periodieke rimpels in de verdeling van zichtbare baryonische (dat wil zeggen normale) materie in de kosmos. Daniel Eisenstein legde uit:
'BOSS meet de uitdijing van het heelal op twee primaire manieren. De eerste is door gebruik te maken van de baryon akoestische oscillaties (vandaar de naam van de enquête). Geluidsgolven die in de eerste 400.000 jaar na de oerknal reizen, creëren een voorkeursschaal voor het scheiden van sterrenstelsels. Door deze voorkeursscheiding te meten in een monster van vele sterrenstelsels, kunnen we de afstand tot het monster afleiden.
“De tweede methode is om te meten hoe clustering van sterrenstelsels verschilt tussen paren die langs de gezichtslijn zijn georiënteerd in vergelijking met dwars op de gezichtslijn. De uitdijing van het heelal kan ervoor zorgen dat deze clustering asymmetrisch wordt als men de verkeerde uitbreidingsgeschiedenis gebruikt bij het omzetten van roodverschuivingen naar afstand. ”
Met deze nieuwe, zeer nauwkeurige afstandsmetingen kunnen BOSS-astronomen de invloed van Dark Matter met een veel grotere precisie bestuderen. "Verschillende donkere-energiemodellen variëren in de manier waarop de versnelling van de uitdijing van het heelal in de loop van de tijd verloopt", zei Eisenstein. “BOSS meet de uitbreidingsgeschiedenis, waardoor we de acceleratiesnelheid kunnen afleiden. We vinden resultaten die zeer consistent zijn met de voorspellingen van het kosmologische constante model, dat wil zeggen het model waarin donkere energie in de tijd een constante dichtheid heeft. ”
Naast het meten van de verdeling van normale materie om de invloed van donkere energie te bepalen, werkt de SDSS-III-samenwerking aan het in kaart brengen van de Melkweg en het zoeken naar extrasolaire planeten. De BOSS-metingen worden gedetailleerd in een reeks artikelen die vorige maand door de BOSS-samenwerking aan tijdschriften zijn voorgelegd en die nu allemaal online beschikbaar zijn.
En BOSS is niet de enige poging om de grootschalige structuur van ons universum te begrijpen en hoe al zijn mysterieuze krachten het hebben gevormd. Vorige maand kondigde professor Stephen Hawking aan dat het COSMOS-supercomputingcentrum aan de universiteit van Cambridge tot nu toe de meest gedetailleerde 3D-kaart van het heelal zou maken.
Zich baserend op gegevens verkregen door de CMB-gegevens verkregen door de ESA's Planck-satelliet en informatie uit de Dark Energy Survey, hopen ze ook de invloed te meten die Dark Energy heeft gehad op de verspreiding van materie in ons heelal. Wie weet? Over een paar jaar kunnen we heel goed gaan begrijpen hoe alle fundamentele krachten die het heelal beheersen samenwerken.
