Door geavanceerde computerwetenschap toe te passen op een schat aan nieuwe astronomische gegevens, rapporteerden onderzoekers van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) vandaag de eerste robuuste detectie van kosmische vergroting op grote schaal, een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie toegepast op de distributie van sterrenstelsels , donkere materie en verre quasars.
Deze bevindingen, geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal, beschrijven de subtiele vervormingen die licht ondergaat wanneer het van verre quasars reist door het web van donkere materie en sterrenstelsels voordat het waarnemers hier op aarde bereikt.
De SDSS-ontdekking beëindigt een twee decennia oud meningsverschil tussen eerdere vergrotingsmetingen en andere kosmologische tests van de relatie tussen sterrenstelsels, donkere materie en de algehele geometrie van het universum.
"De vervorming van de achtergrond van sterrenstelsels als gevolg van gravitatielensvorming werd voor het eerst waargenomen meer dan tien jaar geleden, maar niemand had het vergrotingsgedeelte van het lenssignaal betrouwbaar kunnen detecteren", legt hoofdonderzoeker Ryan Scranton van de Universiteit van Pittsburgh uit.
Terwijl licht zijn reis van 10 miljard jaar maakt vanuit een verre quasar, wordt het afgebogen en gefocust door de zwaartekracht van donkere materie en sterrenstelsels, een effect dat bekend staat als zwaartekrachtlensing. De SDSS-onderzoekers maten definitief de lichte verheldering of "vergroting" van quasars en koppelen het effect aan de dichtheid van sterrenstelsels en donkere materie langs het pad van het quasarlicht. Het SDSS-team heeft deze vergroting gedetecteerd in de helderheid van 200.000 quasars.
Hoewel zwaartekrachtlensing een fundamentele voorspelling is van Einsteins Algemene Relativiteit, voegt de ontdekking van de SDSS-samenwerking een nieuwe dimensie toe.
"Het observeren van het vergrotingseffect is een belangrijke bevestiging van een fundamentele voorspelling van de theorie van Einstein", legt SDSS-medewerker Bob Nichol van de University of Portsmouth (VK) uit. "Het geeft ons ook een cruciale consistentiecontrole op het standaardmodel dat is ontwikkeld om het samenspel van sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en donkere materie te verklaren."
Astronomen proberen dit aspect van zwaartekrachtlenzen al twee decennia te meten. Het vergrotingssignaal is echter een zeer klein effect - slechts een paar procent meer licht in het licht van elke quasar. Het detecteren van zo'n kleine verandering vereiste een zeer groot aantal quasars met nauwkeurige metingen van hun helderheid.
"Hoewel veel groepen in het verleden detecties van kosmische vergroting hebben gemeld, waren hun datasets niet groot genoeg of nauwkeurig genoeg om een definitieve meting mogelijk te maken, en de resultaten waren moeilijk te verzoenen met de standaard kosmologie", voegde Brice Menard, een onderzoeker bij de Instituut voor geavanceerde studie in Princeton, NJ.
De doorbraak kwam eerder dit jaar met een nauwkeurig gekalibreerd monster van 13 miljoen sterrenstelsels en 200.000 quasars uit de SDSS-catalogus. De volledig digitale gegevens van de SDSS hebben veel van de technische problemen opgelost waarmee eerdere pogingen om de vergroting te meten, werden opgelost. De sleutel tot de nieuwe meting was echter de ontwikkeling van een nieuwe manier om quasars in de SDSS-gegevens te vinden.
'We hebben geavanceerde ideeën uit de wereld van informatica en statistiek overgenomen en op onze gegevens toegepast', legt Gordon Richards van de Princeton University uit.
Richards legde uit dat SDSS-wetenschappers met behulp van nieuwe statistische technieken in staat waren om een steekproef van quasars te extraheren die 10 keer groter waren dan conventionele methoden, wat de buitengewone precisie mogelijk maakte om het vergrotingssignaal te vinden. "Onze duidelijke detectie van het lenssignaal zou niet mogelijk zijn geweest zonder deze technieken", concludeerde Richards.
Recente waarnemingen van de grootschalige verspreiding van sterrenstelsels, de kosmische microgolfachtergrond en verre supernova's hebben astronomen ertoe gebracht een ‘standaardmodel’ van kosmologie te ontwikkelen. In dit model vertegenwoordigen zichtbare sterrenstelsels slechts een klein deel van de hele massa van het universum, de rest is gemaakt van donkere materie.
Maar om eerdere metingen van het kosmische vergrotingssignaal met dit model te verzoenen, moesten onwaarschijnlijke veronderstellingen worden gemaakt over hoe sterrenstelsels worden verdeeld ten opzichte van de dominante donkere materie. Dit bracht sommigen tot de conclusie dat het kosmologische basisbeeld onjuist of in ieder geval inconsistent was. De nauwkeurigere SDSS-resultaten geven echter aan dat eerdere datasets waarschijnlijk niet opgewassen waren tegen de uitdaging van de meting.
"Met de kwaliteitsgegevens van de SDSS en onze veel betere methode om quasars te selecteren, hebben we dit probleem opgelost", aldus Scranton. "Onze meting is in overeenstemming met de rest van wat het universum ons vertelt en het zeurende meningsverschil is opgelost."
"Nu we hebben aangetoond dat we kosmische vergroting betrouwbaar kunnen meten, zal de volgende stap zijn om het te gebruiken als een instrument om de interactie tussen sterrenstelsels, donkere materie en licht veel gedetailleerder te bestuderen," zei Andrew Connolly van de Universiteit van Pittsburgh.
Oorspronkelijke bron: SDSS News Release
