Mérés, amely megfejtheti a sötét energia titkát

Minden eddiginél pontosabban mérték meg a világegyetem tágulását.

A BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) felmérés a harmadik SDSS (Sloan Digital Sky Survey) 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 pedig az eddigi legpontosabb adatot szolgáltatja az univerzum tágulásáról abból az időszakból, mikor a galaxisok kialakultak.

A kvazárokkal kapcsolatos legújabb eredmény két módszer ötvözésén alapul. Az egyiket tavaly év végén közölte a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium posztdoktori ösztöndíjas fizikusa, Andreu Font-Ribera és csoportja, a másik módszer pedig egy korábban már tesztelt megközelítést használt, de jóval nagyobb adathalmazon, ezt most publikálta a Lausanne-i Szövetségi Technológiai Intézet kutatója, Timothée Delubac és munkatársai. A két eljárás kombinálásával megállapították, hogy z = 2,34 vöröseltolódásnál az univerzum tágulási üteme egymillió fényévenként 68 km/s, az érték hibája pedig mindössze 2,2 százalék. Font-Ribera magyarázata szerint ez azt jelenti, hogy amikor az univerzum kora a mainak még a negyedét sem érte el, két egymillió fényév távolságban lévő galaxis 68 km/s sebességgel távolodott egymástól, az érték hibája pedig csak ±1,5 km/s. Az eredményt Font-Ribera az American Physical Society Savannahban megrendezett ülésén ismertette.

A BOSS mind a galaxisokat, mind a távoli kvazárokat felhasználja az úgynevezett barionikus akusztikus oszcillációk (bao) mérésére, amelyek 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, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium fizikusa, David Schlegel elmondása 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 baók lenyomata az anyag nagy léptékű eloszlásában finom, periodikus fodrozódásként jelenik meg, melyek amplitúdója körülbelül öt százalék, „hullámhosszuk” pedig az úgynevezett 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.

A BOSS korábbi mérései során több mint egymillió 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 észlelni őket. Még nagyobb vöröseltolódás-értékeknél – átlagban 2,34 a jelen vizsgálatban – a BOSS az úgynevezett 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 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 úgynevezett autokorreláció módszere ma már tradicionális technika, 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 úgynevezett keresztkorrelációs 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 keresztkorrelációs 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 sikerült a bao-skálaméret értékét szűk tartományba szorítaniuk. A két eljárás az univerzum tágulási ütemét leíró úgynevezett Hubble-paraméter értékében és annak hibájában is megegyező eredményre vezetett, mely szerint 2,34-os vöröseltolódásnál H = 68 ± 1,5 km/s/Mpc. 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 hárommilliárd éves univerzum geometriájának vizsgálatát is. Más kozmológiai kísérletek eredményeivel összevetve a sötét energia természetére is következtethetünk, illetve erős megszorítást tehetünk a világegyetem görbületére is: eszerint világunk majdnem tökéletesen sík.

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