2014.04.11. - Minden eddiginél pontosabban mérték meg az Univerzum tágulását

A BOSS égboltfelmérés adatai alapján minden eddiginél pontosabban mérték meg a Világegyetem tágulását abban az időszakban, amikor még csak 3 milliárd éves volt. A mérés a sötét energia természetének megértésében is segíthet.

A BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) felmérés a harmadik SDSS (Sloan Digital Sky Survey, SDSS-III) égboltfelmérés legnagyobb komponense, célja, hogy kvazárok segítségével nagy vöröseltolódásoknál (azaz nagy távolságokban) felmérje az intergalaktikus gáz sűrűségváltozásait, ezen keresztül pedig a fiatal Univerzum szerkezetét. A Világegyetem tágulásának történetét feltérképezve a BOSS a sötét energia természetére is rávilágíthat, a nagy léptékű szerkezet új felmérése padig az eddigi legpontosabb adatot szolgáltatja az Univerzum tágulásáról abból az időszakból, mikor a galaxisok kialakultak.

A kvazárokkal kapcsolatos legújabb eredmény két külön módszer ötvözésén alapul. Az egyiket még tavaly év végén közölte Andreu Font-Ribera (U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)) és csoportja, míg a másik egy korábban már tesztelt megközelítést használt, de egy jóval nagyobb adathalmazon, ezt most publikálták Timothée Delubac (EPFL Switzerland and France's Centre de Saclay) és munkatársai. A két eljárás kombinálásával megállapították, hogy z = 2,34 vöröseltolódásnál az Univerzum tágulási üteme 1 millió fényévenként 68 km/s, az érték hibája pedig mindössze 2,2%! Font-Ribera - aki egyébként a Berkley Lab posztdoktori ösztöndíjasa - magyarázata szerint ez azt jelenti, hogy akkor, amikor az Univerzum kora a mainak még a negyedét sem érte el, két, 1 millió fényév távolságban lévő galaxis 68 km/s-os sebességgel távolodott egymástól, az érték hibája pedig csak ±1,5 km/s. Az eredményt Font-Ribera az American Physical Society Savannah-ban megrendezett ülésén ismertette.

A BOSS mind a galaxisokat, mind a távoli kvazárokat felhasználja az ún. barionikus akusztikus oszcillációk (BAO-k) mérésére, amik tulajdonképpen a korai Univerzumban uralkodó feltételeknek az anyag eloszlásában megőrzött lenyomatai. Bár a sötét anyagéban is jelen van, a hatása teljesen nyilvánvaló a normál anyag (galaxisok, kvazárok, intersztelláris hidrogén) eloszlásában. A BOSS vezető kutatója, David Schlegel (Berkley Lab) szerint három évvel ezelőtt 14 ezer kvazár adatai alapján elkészítették az Univerzum legnagyobb 3D-s térképét. Két évvel ezelőtt immár 48 ezer kvazár segítségével már a barionikus akusztikus oszcillációkat is ki tudták mutatni az eloszlásokban, most pedig 150 ezer kvazár adatainak ismeretében már nagyon nagy pontossággal mérni is tudják a barionikus akusztikus oszcillációkat.

A BAO-k lenyomata az anyag nagy léptékű eloszlásában finom, periodikus fodrozódásokként jelenik meg, melyek amplitúdója körülbelül öt százalék, "hullámhosszuk" pedig az ún. BAO skálaméret, melynek értéke a BOSS és a mikrohullámú háttérsugárzást vizsgáló Planck műhold mérései szerint mintegy 450 millió fényév a mai Világegyetemben - ez a tágulás mérésére szolgáló "standard méterrúd". A barionikus akusztikus oszcillációk a korai Univerzumban terjedő nyomáshullámok (hanghullámok) közvetlen következményei, abból a korszakból, amikor a sugárzás még nem csatolódott le a plazmáról. 380 ezer évvel az Ősrobbanás után hűlt le az Univerzum eléggé ahhoz, hogy a fotonok szabaddá váljanak. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megőrizte az ősi hanghullámok sűrűsödési csúcsait, ezek lettek a csírái a későbbi barionikus akusztikus oszcillációk által az anyag eloszlásában létrehozott lenyomatnak.

Fantáziarajz arról, hogy a BOSS a kvazárok segítségével hogyan méri fel a Világegyetem távoli részeit. A kvazárok fénye a közbeeső intergalaktikus gázfelhőkön áthaladva részben elnyelődik, ez alapján pedig felrajzolható egy finom, gyűrűszerű eloszlás, melyben a gyűrűk sugara az ún. BAO skálaméret. Most ezt a távolságot mindössze 2%-os hibával sikerült meghatározni annak alapján, hogy az Univerzum 3 milliárd éves korában milyen ütemben tágult.
[Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory, and Andreu Font-Ribera, BOSS Lyman-alpha team, Berkeley Lab]

A BOSS korábbi mérései során több mint egy millió galaxis spektruma alapján határozták meg figyelemre méltó pontossággal a BAO skálaméret értékét. 0,7-es vöröseltolódás felett (durván 6 milliárd fényév távolságon túl) azonban a galaxisok már nagyon halványak, így nehéz detektálni őket. Még nagyobb vöröseltolódás-értékeknél - átlagban 2,34 a jelen vizsgálatban - a BOSS az ún. "Lyman-alfa erdő" módszert használja, hogy a távoli kvazárok spektrumából meghatározza az intergalaktikus hidrogén sűrűségét.

Amint a távoli kvazár fénye áthalad egy közbeeső hidrogénfelhőn, az egy részét elnyeli, mégpedig a nagyobb sűrűségű csomók többet. A neutrális hidrogén abszorpciós vonalai (Lyman-alfa vonalak) vöröseltolódásuk által minden csomót pontosan azonosítanak. Egy ilyen spektrumban rengeteg vonal van, így az egy erdőre emlékeztet, innen az elnevezés is. Jó minőségű kvazárspektrumok segítségével a gázfelhők három dimenzióban is feltérképezhetők, a látóirány mentén is minden egyes kvazár felé, és a sűrű csomók között is. Az így létrejött térképekből pedig már a barionikus akusztikus oszcillációk jelei is kiolvashatók. Bár a BOSS esetében csak néhány évvel ezelőtt kezdték el alkalmazni, a Lyman-alfa erdő használata és a sebességmérés eljárása, az ún. autokorreláció módszere mára már tradicionális technikák, így a most publikált megközelítés újdonsága az óriási mennyiségű adatban rejlik: Delubac és kollégái 140 ezer gondosan válogatott BOSS kvazár spektrumát használták fel.

Font-Ribera és munkatársai még több kvazárral dolgoztak, de a sebességmérésre némileg más utat választottak, az ún. kereszt-korrelációs technikát használták, a kvazárok színképét más kvazárokéval vetették össze. A kvazárok nagy tömegű fekete lyukak által dominált fiatal galaxisok, nagyon fényesek és nagyon messze vannak, így a vöröseltolódásuk is nagy. Mivel nagy tömegű objektumokról van szó, Font-Ribera magyarázata szerint azt várjuk, hogy az Univerzum nagy sűrűségű helyein találhatók, ahol az intergalaktikus gáz sűrűsége is nagyobb. Itt pedig átlagban több elnyelő gáz jelenléte várható, mint ha közelebbi kvazárokat néznénk. A kérdés csak az volt, hogy a kereszt-korrelációs módszer vajon elég jó-e ahhoz, hogy lássuk a barionikus akusztikus oszcillációk nyomát.

Az effektust sikerült kimutatni, sőt, Delubac és munkatársai a két módszer eredményét még kombinálták is, így a BAO skálaméret értékét egy szűk tartományba sikerült szorítaniuk. A két eljárás az Univerzum tágulási ütemét leíró ún. Hubble-paraméter értékében és annak hibájában is megegyező eredményre vezetett, mely szerint 2,34-os vöröseltolódásnál H = 68 ± 1,5 km/s/Mly. Font-Ribera szerint ez a H paraméter valaha mért legpontosabb értéke, még a z = 0 vöröseltolódásnál (lokális univerzum) mért Hubble-állandóénál is pontosabb. Az eredmények lehetővé teszik a 3 milliárd éves Univerzum geometriájának vizsgálatát is. Más kozmológiai kísérletek eredményeivel összevetve a sötét energia természetére is következtethetünk, illetve erős megszorítást tehetünk az Univerzum görbületére is: eszerint világunk majdnem tökéletesen sík!

Az eredményeket részletező szakcikkek a Journal of Cosmology and Astropartical Physics és az Astronomy & Astrophysics folyóiratokban fognak megjelenni.

Forrás:

• ScienceDaily 2014.04.07.