Nieuwe kaart van Dark Matter zet de big bang-theorie op proef (Kavli-rondetafel)

Adam Hadhazy, schrijver en redacteur voor The Kavli Foundation, heeft dit artikel bijgedragen aan Professionele voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights

De heersende blik op het universum heeft zojuist een strenge nieuwe test doorstaan, maar de mysteries van donkere materie en donkere energie blijven frustrerend onopgelost.

In augustus werd een nieuwe kosmische kaart onthuld, waarin werd gepropageerd waar de mysterieuze substantie die donkere materie wordt genoemd, door het universum wordt samengeklonterd. Tot enorme opluchting - en frustratie - is de kaart precies wat wetenschappers verwacht hadden. De verdeling van donkere materie komt overeen met ons huidige begrip van een universum geboren met bepaalde eigenschappen in een Big Bang, 13,8 miljard jaar geleden. [The Universe: Big Bang to Now in 10 eenvoudige stappen]

Maar voor de bevestigende kracht van de kaart, vertelt het ons nog steeds weinig over de ware identiteit van donkere materie, die fungeert als een onzichtbaar schavot voor sterrenstelsels en kosmische structuur. Het verklaart ook niet een nog grotere factor die de kosmos vormt, bekend als donkere energie, een raadselachtige kracht die het universum schijnbaar met steeds hogere snelheden uit elkaar duwt. Tantaliserend echter, zou een kleine discrepantie tussen de nieuwe bevindingen en eerdere waarnemingen van het vroege universum net de deur open kunnen slaan voor nieuwe fysica.

Om deze kwesties te bespreken, wendde The Kavli Foundation zich tot drie wetenschappers die betrokken zijn bij het maken van deze nieuwe kosmische kaart, samengesteld door de Dark Energy Survey.

De deelnemers waren:

  • SCOTT DODELSON - is een kosmoloog en hoofd van de afdeling natuurkunde aan de Carnegie Mellon University. Hij is een van de leidende wetenschappers achter de nieuwe kaart van de Dark Energy Survey van de kosmische structuur, waar hij aan werkte in het Fermi National Accelerator Laboratory en als professor aan het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de Universiteit van Chicago.
  • RISA WECHSLER - is universitair hoofddocent natuurkunde aan de Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory, evenals een lid van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology. Wechsler is de oprichter van de Dark Energy Survey en is ook betrokken bij twee projecten van de volgende generatie die nog dieper in het donkere universum duiken.
  • GEORGE EFSTATHIOU - is een professor in de astrofysica en de voormalig directeur van het Kavli Institute for Cosmology aan de Universiteit van Cambridge. Samen met zijn werk aan de Dark Energy Survey, is Efstathiou een leider van het wetenschapsteam voor het ruimtevaartuig Planck van het Europees Ruimtevaartagentschap, dat tussen 2009 en 2013 een gedetailleerde kaart van het vroege universum heeft gemaakt.

Het volgende is een bewerkt transcript van hun rondetafeldiscussie. De deelnemers hebben de gelegenheid gekregen om hun opmerkingen te wijzigen of te bewerken.

DE STICHTING VAN KAVLI: De Dark Energy Survey heeft zojuist bevestigd dat materie zoals we die kennen, slechts vier procent van het universum uitmaakt. Dat betekent dat 96 procent dingen is die we niet kunnen zien of aanraken, en we hebben vrijwel geen idee wat het werkelijk is. Waarom zijn deze nieuwe bevindingen eigenlijk goed nieuws?

RISA WECHSLER: Het lijkt heel vreemd dat de resultaten goed nieuws zijn, toch? Veertig jaar geleden had niemand kunnen vermoeden dat we blijkbaar in een universum leven waarin de meeste dingen dingen zijn die geen interactie met ons hebben, en de meeste energie is zelfs geen kwestie! Het is nog steeds super mind-blowing.

Maar we hebben steeds nauwkeurigere metingen van het universum gemaakt, en dat is waar de resultaten van de Dark Energy Survey komen. Het zijn de meest nauwkeurige metingen van de dichtheid van materie en hoe het in het lokale universum samenklontert. In het verleden hebben we de dichtheid van materie in het jonge, verre universum gemeten. Dus de Dark Energy Survey stelt ons echt in staat om ons begrip van de evolutie van het universum te testen, dat we hebben geformaliseerd als het standaardmodel van Big Bang-kosmologie [Zie onderstaande zijbalk: "Een Kosmisch Recept"], op een totaal nieuwe manier.

Toch is het zeker mogelijk dat we iets verkeerds hebben.

SCOTT DODELSON: Deze gegevens, samen met nauwkeurige metingen van andere projecten, kunnen kleine hints van onenigheid, of spanning, zoals wij het noemen, beginnen te vertonen met ons huidige begrip van hoe het universum begon en is nu eigenlijk aan het groeien met toenemende snelheden.

Zoals Risa zojuist zei, we weten niet zeker of onze huidige manier van denken correct is, omdat we in essentie dingen moeten verzinnen, namelijk donkere materie en donkere energie. Het kan zijn dat we echt slechts een maand verwijderd zijn van een wetenschappelijke revolutie die ons hele begrip van kosmologie zal verbeteren en deze dingen niet vereist. [Fantastische foto's van de Dark Energy Camera in Chili]

GEORGE EFSTATHIOU: Die metingen van de materie en energie in het jonge, verre universum waarnaar Risa verwees, werden slechts enkele jaren geleden verkregen, toen een ander programma genaamd Planck de overblijfselstraling van de oerknal bekeek, die we de kosmische microgolfachtergrond noemen. Hoewel de metingen van het Planck-ruimtevaartuig het model ondersteunen waar we het over hebben, is men altijd ongemakkelijk om dingen te moeten postuleren, zoals donkere materie en donkere energie, die niet zijn waargenomen. Dat is de reden waarom de Dark Energy Survey erg belangrijk is - het kan onze kennis over de geboorte van het universum streng testen door het te vergelijken met de huidige structuur van het moderne en jonge universum.

TKF: The Dark Energy Survey begon vier jaar geleden, dus je hebt lang moeten wachten op deze resultaten. Wat was je eerste reactie?

DODELSON: Het was de meest verbazingwekkende ervaring van mijn wetenschappelijke carrière. Op 7 juli 2017, een datum die ik altijd zal onthouden, hebben 50 mensen deelgenomen aan een telefonische vergadering.Niemand wist wat de gegevens zouden gaan zeggen omdat ze verblind waren, wat voorkomt dat de resultaten per ongeluk worden beïnvloed door iets dat je 'wilt' dat ze zijn. Toen maakte een van de leiders van de lensanalyse, Michael Troxel, een computerscript op de gegevens, ontblinde het en deelde zijn scherm met iedereen die aan het gesprek deelnam. We moeten allemaal onze resultaten zien in vergelijking met die van Planck. Ze waren zo onafhankelijk van elkaar, onafhankelijk van elkaar. We hapten naar adem en klapten toen allemaal.

WECHSLER: Ik was ook bij die conference call. Het was echt spannend. Ik heb aan dit onderzoek gewerkt sinds we het eerste voorstel in 2004 schreven, dus het voelde als een hoogtepunt.

TKF: In 2013 gaf Planck ons ​​een zeer nauwkeurige "baby" -foto van het universum. Nu hebben we een zeer nauwkeurig beeld van het universum in een later tijdperk. George, je was een leider op de Planck-missie. Wat zie je als je deze twee verschillende snapshots op tijd bekijkt?

Efstathiou: De "baby" -afbeelding komt overeen met een universum dat meestal is gemaakt van donkere materie en donkere energie. Het komt ook overeen met het idee dat het universum op de vroegste momenten een exponentiële expansie onderging, bekend als inflatie. Dus hoe extrapoleert het babyfoto naar het moderne, 'volwassen' universum? Zoals de resultaten van de nieuwe Dark Energy Survey laten zien, zijn de foto's opvallend consistent.

DODELSON: We zijn allemaal verbaasd dat deze twee foto's overeenkomen in de mate waarin ze doen. Hier is een voorbeeld. Laten we zeggen dat je Berkshire Hathaway-aandelen in 1970 hebt gekocht. Stel dat het toen $ 10 per aandeel was en vandaag is het $ 250.000 per aandeel. Als je toen voorspelde dat het vandaag $ 250.000 zou zijn, plus of minus $ 1.000, zouden mensen gedacht hebben dat je gek was. Maar eigenlijk hebben we dat gedaan. Toen het universum heel jong was, slechts 380.000 jaar oud, was het ook erg 'glad'. Materie was zo gelijkmatig verdeeld. Maar vandaag - meer dan 13 miljard jaar later - is materie in de kosmos hoogst, sterk samengeklonterd in sterrenstelsels, sterren, planeten en andere objecten. Dit is wat je zou verwachten met kosmische expansie, en met de Dark Energy Survey hebben we de voorspelling van deze kosmische ongelijkheid in opmerkelijke mate kunnen bevestigen.

WECHSLER: Wat ons echt heeft geholpen bij het maken van de precieze metingen met Dark Energy Survey, is dat we voor het eerst over een veel groter gebied, ongeveer een dertigste, van de hemel kijken. Dat is drie of vier keer groter dan de grootste kaart met donkere materie die we ooit eerder hebben gemaakt. We zijn ook in staat om die kaart in essentie meer dan de helft van de ouderdom van het universum te maken, van nu tot ongeveer zeven miljard jaar geleden, door licht te verzamelen dat schijnt van verre melkwegstelsels. Dus we zijn in staat om dit verhaal meer dan de helft van de geschiedenis van het universum te vertellen, en het blijft overal consistent.

Er zijn wat kleine meningsverschillen met de Planck-resultaten, maar ik denk niet dat we ons daar nog te veel zorgen over moeten maken. [Galerij: Planck Spacecraft ziet Big Bang Relics]

Efstathiou: Het zou heel interessant zijn geweest als de resultaten de spanning met het kosmologische standaardmodel aanzienlijk hadden verhoogd, wat de basis is om te begrijpen waarom het universum, te beginnen met de oerknal, een versnelde expansie ondergaat. Sommige eerdere onderzoeken hadden gesuggereerd dat er misschien een probleem was, hoewel ik dacht dat deze resultaten twijfelachtig waren. Naar mijn mening zou men op de gegevens moeten vertrouwen en niet gealarmeerd moeten zijn als onze theorieën het niet eens zijn met waarnemingen. Het universum is wat het is.

TKF: Nog een Nature News-verhaal karakteriseerde George's visie op de discrepanties als 'zorgelijk'.

Efstathiou: Welnu, ja, er zijn enkele beweringen geweest van spanning tussen het klonteren gemeten in het plaatselijk universum en Planck's waarnemingen van het verre universum. Sommige andere observaties hebben gesuggereerd dat het laat-tijdse lokale universum sneller groeit dan verwacht van Planck.
Als we overtuigend konden zeggen dat er een echt probleem was door een van deze afzonderlijke gegevens, dan zouden we ons standaardmodel van kosmologie moeten verlaten. We zouden nieuwe fysica nodig hebben, en het soort fysica dat we nodig zouden hebben zou op het exotische gebied liggen, waarbij tientallen jaren van anderszins onafhankelijk gesteunde fysieke wetten ten val zouden worden gebracht. Het is dus een groot probleem.

In het verleden zijn dit soort spanningen gekomen en verdwenen. Toen we de Planck-documenten van 2013 schreven, waren de resultaten dan in spanning met de meeste astrofysica. Twee jaar later waren enkele van deze spanningen verdwenen en nu in 2017 zijn ze opnieuw opgedoken. Dus deze dingen komen en gaan. We moeten een hoge drempel voor onze wetenschap vaststellen voordat we beginnen met uitleg op basis van nieuwe fysica.

TKF: Het klinkt bijna als, "als het nog niet kapot is, repareer het dan niet."

Efstathiou: We moeten zeker weten dat het kapot is voordat we het repareren.

WECHSLER: Ik ben het met George eens. Er is een hele hoge balk om te laten zien dat je alle mogelijke oorzaken van fouten begrijpt voordat je de grote stap neemt om onze huidige, goed bewezen conceptie over het universum te verlaten. Ik denk niet dat we er al zijn. Het betekent dat we heel enthousiast moeten zijn over de voortdurende Dark Energy Survey, evenals alle andere aankomende enquêtes en projecten.

TKF: Inderdaad, deze nieuwe resultaten zijn gebaseerd op een meetwaarde van een jaar op een totaal van vijf jaar. Wat kunnen we verwachten na nog vier jaar data te hebben gemanipuleerd?

WECHSLER: Met vier keer meer gegevens, zal onze kaart met donkere materie nog preciezer zijn. Ik verwacht ook dat er verbeteringen zullen komen in onze analysemethoden. Er zullen ook een heleboel andere nieuwe dingen zijn die de Dark Energy Survey zou moeten ontdekken, inclusief nieuwe dwergstelsels rondom ons Melkwegstelsel waarvan we lang dachten dat ze er moesten zijn, maar niet konden vinden.Er is nog veel meer om naar uit te kijken!

DODELSON: De toegenomen precisie waar Risa zojuist over sprak, stelt ons in staat om het standaardmodel van kosmologie net zo hard te raken als het ooit is geraakt. Het weerleggen van het huidige model zal de manier waarop we over het universum denken radicaal veranderen, dus dat is het meest opwindende dat ik me kan voorstellen.

TKF: Hoe breiden astrofysici de jacht op donkere materie en donkere energie uit? Risa, laten we bij jou beginnen, omdat je nauw betrokken bent bij twee 'dark universe'-projecten van de volgende generatie.

WECHSLER: Met het Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI [uitgesproken als "DEZ-ee"], krijgen we wat we spectra noemen, of gedetailleerde observaties van het licht van ongeveer 35 miljoen sterrenstelsels en quasars, die sterrenstelsels zijn die extra helder lijken omdat hun centrale zwarte gaten verslinden actief materie. Dat is ongeveer 10 keer meer spectra data dan we hebben verzameld van alle instrumenten, dus je kunt je voorstellen dat dat echt transformatief zal zijn. Met DESI kunnen we de uitzetting van het universum onafhankelijk meten en hoe snel de structuur van materie en donkere materie groeien, die beide worden beïnvloed door donkere energie. Als je die metingen vervolgens vergelijkt, krijg je een precieze test van de fysica die het universum regeert. DESI start in 2019 met een telescoop in Arizona.

Het andere belangrijke nieuwe instrument waar ik aan werk is de Large Synoptic Survey Telescope, LSST. Het maakt waarnemingen net als de Dark Energy Survey, maar met een aanzienlijk hogere precisie. In feite zal het ongeveer vier keer meer oppervlakte beslaan en de miljarden sterrenstelsels die het ziet zullen veel dieper en verder weg zijn. LSST zal een nieuw observatorium zijn, dat nu in Chili wordt gebouwd, en het is gepland om rond 2022 te beginnen.

DODELSON: Mijn gok is dat beide projecten nieuwe wetenschappelijke vragen zullen oproepen. Dat hebben we al gezien met de Dark Energy Survey. Vragen veranderen in de loop van de tijd en evolueren, dus ik weet niet zeker of we weten wat het meest opwindende is wat we van LSST of DESI zullen leren. [10 grootste telescopen ter wereld: hoe ze meten]

Efstathiou: Een van mijn verwachtingen voor Planck was dat het standaardmodel van kosmologie zou breken en dat niet deed. Maar zou het niet absoluut geweldig zijn voor kosmologie en voor natuurkunde als dit zou gebeuren? Dus we moeten de stekker uit en zien. Misschien hebben we geluk.

TKF: Als je moest wedden op wat donkere materie en donkere energie eigenlijk zijn, waar zou je dan je chips zetten?

DODELSON: We leven in een tijdperk van cognitieve dissonantie. Er is al dit kosmologische bewijs voor het bestaan ​​van donkere materie, maar in de afgelopen 30 jaar hebben we al deze experimenten uitgevoerd en hebben we het niet gevonden. Ik wed dat we de dingen helemaal verkeerd bekijken. Iemand die nu 8 jaar oud is, komt langs om erachter te komen hoe alle gegevens te begrijpen zonder mysterieuze nieuwe stoffen op te roepen.

Efstathiou: Welke kansen geef je daarover, Scott?

DODELSON: Ik wed 2.000 dollar aan George's geld. [Gelach]

Efstathiou: Ik zou geen gok wagen op een specifieke kandidaat voor de donkere materie. Maar ik wed dat donkere energie de kosmologische constante is, een fudge-factor uitgevonden door Einstein die de dichtheid van energie in een vacuüm beschrijft.

WECHSLER: Ik ben in principe met George op deze. Ik denk dat als Scott gelijk heeft, dat geweldig zal zijn - maar dat is zeker niet waar ik mijn geld zou plaatsen. [Galerij: Dark Matter Through the Universe]

Ik denk dat het zeer waarschijnlijk is dat over 15 jaar we juist zullen meten dat donkere energie wordt veroorzaakt door deze kosmologische constante. We zullen de foutbalken kunnen verkleinen en ontdekken dat ons huidige model nog steeds werkt.

Over donkere materie denk ik dat het veel minder duidelijk is. Lange tijd was de populairste kandidaat dit ding dat WIMP wordt genoemd, of een zwak wisselend massief deeltje. Dat idee is nog steeds populair en volledig mogelijk, maar veel deeltjes die zo'n soort donkere materie zouden kunnen zijn, zijn al uitgesloten. De andere echt meeslepende kandidaat is een subatomair deeltje dat axion wordt genoemd. Mensen komen gewoon op een plek waar ze kunnen beginnen met zoeken naar deze deeltjes waarvan we denken dat ze extreem moeilijk te detecteren zijn. Het is ook mogelijk dat donkere materie ons kan verrassen, dat het een nieuw soort deeltje is waar we nog niet de technieken voor hebben om naar te kijken.

SIDEBAR: een kosmisch recept: In de afgelopen decennia hebben wetenschappers zich gevestigd op een model van een universum dat grotendeels onzichtbaar en onbekend is. Bekend als het standaardmodel van Big Bang-kosmologie, bepaalt het dat materie zoals wij die kennen - bestaande uit mensen, planeten en sterren - slechts ongeveer 4 tot 5 procent van de totale kosmische samenstelling is. Ongeveer 26 procent van de kosmos is donkere materie, waarvan wordt gedacht dat het bestaat uit massieve deeltjes die geen licht uitstralen en slechts een zwakke wisselwerking hebben met normale materie. De rest is donkere energie, een kracht die de expansie van het universum versnelt en bijna 70 procent van de realiteit vormt. Al deze kosmische ingrediënten volgen ongeveer 13,8 miljard jaar geleden terug naar de oorsprong van het universum in de oerknal.