Don Lincoln adalah ahli sains kanan di Fermilab Jabatan Tenaga A.S., sebuah institusi penyelidikan Big Hadron Collider terbesar di negara ini. Beliau juga menulis tentang sains untuk orang ramai, termasuk "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa Higgs Boson dan Perkara Lain yang Akan Meniup Pikiran Anda"(Johns Hopkins University Press, 2014). Anda boleh mengikutinyaFacebook. Lincoln menyumbangkan artikel ini kepada Live SciencePakar Suara: Op-Ed & Insights.
Selagi kita menyimpan rekod, manusia telah kagum pada langit malam. Kami telah melihat langit untuk menentukan kehendak para dewa dan bertanya-tanya tentang makna itu. Hanya 5,000 bintang yang dapat kita lihat dengan mata biasa adalah sahabat manusia selama beribu tahun.
Kemudahan astronomi moden telah menunjukkan kepada kita bahawa alam semesta tidak terdiri daripada hanya ribuan bintang - ia terdiri daripada ratusan berbilion bintang di galaksi kita sahaja, dengan triliunan galaksi. Observatories telah mengajar kita tentang kelahiran dan evolusi alam semesta. Dan, pada 3 Ogos, kemudahan baru membuat pengumuman substantif pertama dan menambah pemahaman kita tentang kosmos. Ia membolehkan kita melihat yang tidak dapat diselesaikan, dan ia menunjukkan bahawa pengedaran bahan di alam semesta berbeza sedikit daripada jangkaan.
The Dark Energy Survey (DES) adalah kerjasama dengan sekitar 400 saintis yang telah memulakan misi lima tahun untuk mempelajari galaksi jauh untuk menjawab pertanyaan mengenai sejarah alam semesta. Ia menggunakan Kamera Tenaga Gelap (DEC) yang melekat pada teleskop Victor M. Blanco 4 meter di Cerro Tololo Amerika Observatorium Cerro Tololo di Andes Chile. DEC telah dipasang di A.S. di Fermilab berhampiran Batavia, Illinois, dan merupakan kamera 570-megapiksel yang dapat menggambarkan galaksi begitu jauh sehingga cahaya mereka adalah sejuta cerah sebagai bintang-bintang yang kelihatan dimmest.
Tenaga gelap dan perkara gelap
DES sedang memburu tenaga gelap, yang merupakan bidang tenaga yang dicadangkan di alam semesta yang merupakan bentuk graviti yang menjijikkan. Walaupun graviti menimbulkan daya tarik yang tidak dapat ditarik, tenaga gelap mendorong alam semesta untuk berkembang pada kadar yang semakin meningkat. Kesannya mula-mula diperhatikan pada tahun 1998, dan kami masih mempunyai banyak persoalan tentang sifatnya.
Walau bagaimanapun, dengan mengukur lokasi dan jarak 300 juta galaksi di langit malam di selatan, kajian itu dapat membuat kenyataan penting mengenai misteri astronomi yang lain, yang disebut perkara gelap. Matlamat gelap dianggap lima kali lebih besar di alam semesta daripada perkara biasa. Namun ia tidak berinteraksi dengan cahaya, gelombang radio atau sebarang bentuk tenaga elektromagnetik. Dan ia tidak kelihatan berkumpul untuk membentuk badan besar seperti planet dan bintang.
Tidak ada cara untuk melihat langsung perkara gelap (dengan itu nama). Walau bagaimanapun, kesannya dapat dilihat secara tidak langsung dengan menganalisis sejauh mana galaksi pantas berputar. Jika anda mengira kelajuan putaran yang disokong oleh jisim yang kelihatan 'galaksi', anda akan mendapati bahawa ia berputar lebih cepat daripada yang sepatutnya. Dengan semua hak, galaksi ini perlu dibuang. Selepas beberapa dekad penyelidikan, ahli astronomi menyimpulkan bahawa setiap galaksi mengandungi bahan gelap, yang menghasilkan graviti tambahan yang memegang galaksi bersama-sama.
Perkara gelap di alam semesta
Walau bagaimanapun, pada skala yang lebih besar di alam semesta, mengkaji galaksi individu tidak mencukupi. Satu lagi pendekatan diperlukan. Untuk itu, ahli astronomi mesti menggunakan teknik yang disebut lensing graviti.
Lensa graviti telah diramalkan pada tahun 1916 oleh Albert Einstein dan mula diperhatikan oleh Sir Arthur Eddington pada tahun 1919. Teori relativiti umum Einstein mengatakan bahawa graviti yang kita alami benar-benar disebabkan oleh kelengkungan ruang masa. Oleh kerana cahaya bergerak dalam garis lurus melalui ruang, jika ruang masa melengkung, ia akan melihat kepada pemerhati seolah-olah cahaya melancarkan jalan melengkung melalui ruang.
Fenomena ini dapat dimanfaatkan untuk mempelajari jumlah dan pengedaran benda gelap di alam semesta. Para saintis yang mengamati galaksi jauh (dipanggil galaksi lensa), yang mempunyai galaksi lain jauh lebih jauh di belakangnya (dipanggil galaksi yang diperhatikan), dapat melihat imej yang goyah dari galaksi yang diperhatikan. Penyelewengan ini berkaitan dengan jisim galaksi kanta. Kerana jisim galaksi lensa adalah kombinasi dari bahan yang kelihatan dan gelap, penekanan graviti membolehkan para saintis untuk secara langsung melihat kewujudan dan pengedaran bahan gelap pada skala yang besar seperti alam semesta itu sendiri. Teknik ini juga berfungsi apabila kumpulan galaksi latar belakang yang besar mengganggu imej kluster galaksi yang lebih jauh, yang merupakan teknik yang digunakan untuk pengukuran ini.
Lumpy atau tidak?
Kerjasama DES baru-baru ini mengeluarkan analisis menggunakan teknik ini dengan tepat. Pasukan ini melihat sampel 26 juta galaksi di empat jarak yang berbeza dari Bumi. Galaksi-galaksi yang lebih dekat dengan lensa yang lebih jauh. Dengan menggunakan teknik ini dan melihat dengan teliti pada penyelewengan imej semua galaksi, mereka dapat memetakan pengedaran benda gelap yang tidak kelihatan dan bagaimana ia bergerak dan bertumpu sepanjang 7 bilion tahun yang lalu, atau separuh jangka hayat Alam semesta.
Seperti yang dijangkakan, mereka mendapati bahawa masalah gelap alam semesta adalah "lumpy." Walau bagaimanapun, terdapat satu kejutan - ia sedikit kurang ketara daripada ukuran sebelumnya yang telah diramalkan.
Salah satu pengukuran yang bercanggah ini berasal dari isyarat radio sisa dari masa paling awal selepas Big Bang, yang dikenali sebagai latar gelombang mikro kosmik (CMB). CMB mengandungi di dalamnya pengedaran tenaga dalam alam semesta apabila berusia 380,000 tahun. Pada tahun 1998, kolaborasi Latar Belakang Cosmic Explorer (COBE) mengumumkan bahawa CMB tidak sempurna seragam, tetapi mempunyai tempat panas dan sejuk yang berbeza dari seragam dengan 1 bahagian dalam 100,000. The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) dan satelit Planck mengesahkan dan menapis pengukuran COBE.
Lebih 7 bilion tahun di antara ketika CMB dipancarkan dan masa yang dikaji oleh DES, kawasan-kawasan yang lebih panas di alam semesta membangkitkan pembentukan struktur kosmos. Pengedaran tenaga nonuniform yang ditangkap di CMB, digabungkan dengan daya tarikan graviti, menyebabkan beberapa tempat di alam semesta semakin padat dan yang lain kurang begitu. Hasilnya adalah alam semesta yang kita lihat di sekeliling kita.
CMB meramalkan pengedaran bahan gelap untuk alasan yang mudah: Pengedaran bahan di alam semesta kita pada masa ini bergantung kepada pengedarannya pada masa lalu. Lagipun, jika terdapat masalah yang besar di masa lalu, perkara itu akan menarik bahan berdekatan dan rumpun akan berkembang. Begitu juga, jika kita memproyeksikan masa depan yang jauh, pengedaran bahan hari ini akan memberi kesan kepada esok untuk sebab yang sama.
Oleh itu, para saintis telah menggunakan pengukuran CMB pada 380,000 tahun selepas Big Bang untuk mengira apa alam semesta seharusnya kelihatan seperti 7 bilion tahun kemudian. Apabila mereka membandingkan ramalan dengan pengukuran dari DES, mereka mendapati bahawa ukuran pengukuran DES kurang sedikit daripada ramalan.
Gambar tidak lengkap
Adakah itu masalah besar? Mungkin. Ketidakpastian, atau kesilapan, dalam kedua-dua pengukuran adalah cukup besar yang bermakna mereka tidak bersetuju dengan cara yang signifikan secara statistik. Apa yang semestinya bermakna bahawa tidak ada yang dapat memastikan bahawa kedua-dua pengukuran itu benar-benar tidak setuju. Ia mungkin bahawa percanggahan timbul secara kebetulan dari turun naik statistik dalam data atau kesan instrumental yang kecil yang tidak dipertimbangkan.
Malah penulis kajian akan mencadangkan di sini. Pengukuran DES tidak lagi dikaji semula. Kertas-kertas itu dikemukakan untuk penerbitan dan hasilnya disampaikan pada persidangan, namun kesimpulan yang mantap harus menunggu sehingga laporan pengadil masuk.
Jadi, apa masa depan? DES mempunyai misi lima tahun, di mana empat tahun data telah direkodkan. Hasil yang diumumkan baru-baru ini hanya menggunakan nilai data tahun pertama. Data yang lebih terkini masih dianalisa. Seterusnya, set data penuh akan meliputi 5000 darjah persegi langit, sementara hasil baru-baru ini hanya meliputi 1,500 darjah persegi dan rakan sebaya hanya separuh jalan kembali ke masa. Oleh itu, cerita itu jelas tidak lengkap. Analisis set data penuh tidak akan dijangka sehingga 2020.
Walau bagaimanapun, data yang diambil hari ini sudah boleh bermakna bahawa terdapat ketegangan yang mungkin dalam pemahaman kita tentang evolusi alam semesta. Dan, walaupun ketegangan itu hilang kerana lebih banyak data dianalisis, kerjasama DES terus membuat pengukuran lain. Ingat bahawa huruf "DE" dalam nama berdiri untuk tenaga gelap. Kelompok ini akhirnya akan dapat memberitahu kami tentang tingkah laku tenaga gelap di masa lalu dan apa yang dapat kita harapkan untuk dilihat pada masa akan datang. Pengukuran baru-baru ini hanyalah permulaan dari apa yang diharapkan menjadi masa yang menarik secara saintifik.
Versi artikel ini pada asalnya diterbitkan di Live Science.
