Последние результаты квазаров сочетают в себе два отдельных аналитических метода. В конце прошлого года был опубликован новый вид анализа, проведенный физиком Андреу Фон-Рибера из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (лаборатория Беркли) и его командой. Анализ с использованием проверенного подхода, но с гораздо большим количеством данных, чем раньше, был только что опубликован Тимоти Делубаком из Швейцарской федерации футбольной лиги и французского Центра де Сакле и его командой. Два анализа вместе показывают, что скорость расширения составляет 68 километров в секунду на миллион световых лет при красном смещении 2,34 с беспрецедентной точностью 2,2 процента.
"Это означает, что если мы оглянемся назад на Вселенную, когда она была меньше четверти своего нынешнего возраста, мы увидим, что пара галактик, разделенных миллионом световых лет, будет дрейфовать друг от друга со скоростью 68 километров в секунду, как Вселенная расширяется », — говорит Фонт-Рибера, научный сотрудник отделения физики лаборатории Беркли. «Неопределенность составляет плюс-минус всего полтора километра в секунду». Фон-Рибера представил результаты на апрельском 2014 г. собрании Американского физического общества в Саванне, штат Джорджия.BOSS использует как галактики, так и далекие квазары для измерения барионных акустических колебаний (BAO), отпечатка сигнатуры распределения материи в результате условий в ранней Вселенной.
Хотя этот отпечаток также присутствует в распределении невидимой темной материи, он очевиден в распределении обычной материи, включая галактики, квазары и межгалактический водород.«Три года назад BOSS использовала 14 000 квазаров, чтобы продемонстрировать, что мы можем создавать самые большие трехмерные карты Вселенной», — говорит Дэвид Шлегель из Berkeley Lab, главный исследователь BOSS. «Два года назад с помощью 48 000 квазаров мы впервые обнаружили барионные акустические колебания на этих картах. Теперь, с помощью более чем 150 000 квазаров, мы провели чрезвычайно точные измерения BAO».
Отпечаток BAO соответствует превышению примерно пяти процентов в кластеризации материи на расстоянии, известном как шкала BAO. Недавние эксперименты, включая BOSS и спутниковое исследование космического микроволнового фона, показали, что шкала BAO, измеренная в сегодняшней Вселенной, очень близка к 450 миллионам световых лет — «стандартная линейка» для измерения расширения.
BAO напрямую происходит от волн давления (звуковых волн), движущихся через раннюю Вселенную, когда частицы света и материи были неразрывно переплетены; 380000 лет спустя после большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет стал свободным. Космическое микроволновое фоновое излучение сохраняет запись ранних пиков акустической плотности; это были семена последующего следа БАО на распределение материи.Квазары расширяют стандартную линейку
В предыдущей работе BOSS использовались спектры более миллиона галактик для измерения шкалы BAO с замечательной точностью в один процент. Но за пределами красного смещения 0,7 (примерно шесть миллиардов световых лет от нас) галактики становятся более тусклыми и трудными для просмотра. Для гораздо более высоких красных смещений, подобных тем, что в настоящих исследованиях, в среднем 2,34, BOSS впервые применил метод «леса Лаймана-альфа», в котором для расчета плотности межгалактического водорода использовались спектры далеких квазаров.
Когда свет от далекого квазара проходит через газообразный водород, участки с большей плотностью поглощают больше света. Линии поглощения нейтрального водорода в спектре (линии Лаймана-альфа) определяют каждое плотное пятно по тому, насколько они смещены в красную сторону. На самом деле, в таком спектре так много линий, что он напоминает лес — лес Лайман-альфа.
При наличии достаточно хороших спектров квазаров, достаточно близких друг к другу, положение газовых облаков может быть отображено в трех измерениях — как вдоль луча зрения для каждого квазара, так и поперек плотных пятен, обнаруживаемых другими спектрами квазаров. Из этих карт извлекается сигнал BAO.Хотя этот метод использования данных леса Лайман-альфа, который был введен компанией BOSS всего несколько лет назад, называемый автокорреляцией, сейчас кажется почти традиционным.
Только что опубликованные результаты автокорреляции Делубак и его коллеги используют спектры почти 140 000 тщательно отобранных квазаров BOSS.Фон-Рибера и его коллеги по-другому определяют BAO, используя еще больше квазаров BOSS.
Квазары — молодые галактики, питаемые массивными черными дырами, чрезвычайно яркие, чрезвычайно далекие и, следовательно, сильно смещенные в красную область. Вместо того, чтобы сравнивать спектры с другими спектрами, команда Фонт-Рибера коррелировала сами квазары со спектрами других квазаров, метод, называемый кросс-корреляцией.«Квазары — это массивные галактики, и мы ожидаем, что они будут в более плотных частях Вселенной, где плотность межгалактического газа также должна быть выше», — говорит Фон-Рибера. «Поэтому мы ожидаем найти больше поглощающего газа, чем в среднем, когда мы посмотрим на квазары».
Вопрос был в том, будет ли корреляция достаточно хорошей, чтобы увидеть отпечаток BAO.Действительно, влияние BAO на взаимную корреляцию было сильным.
Делубак и его команда объединили свои результаты автокорреляции с результатами кросс-корреляции Фон-Риберы и его команды, и они сошлись на узких ограничениях для шкалы BAO. Автокорреляция и взаимная корреляция также сходились в точности их измерений скорости расширения Вселенной, называемой параметром Хаббла.
При красном смещении 2,34 общая мера эквивалентна 68 плюс-минус 1,5 километра в секунду на миллион световых лет.«Это наиболее точное измерение параметра Хаббла при любом красном смещении, даже лучше, чем измерение, которое мы получаем в локальной вселенной при нулевом красном смещении», — говорит Фонт-Рибера. «Эти результаты позволяют нам изучать геометрию Вселенной, когда она была всего в четверть своего нынешнего возраста.
В сочетании с другими космологическими экспериментами мы можем узнать о темной энергии и наложить жесткие ограничения на кривизну Вселенной — она очень плоская! "Дэвид Шлегель отмечает, что когда BOSS только начинал, предлагался метод взаимной корреляции, но «некоторые из нас боялись, что он не сработает. Мы ошибались.
Наши меры точности даже лучше, чем мы оптимистично надеялись».