كيف ترى ما هو غير مرئي: استخدام توزيع المادة المظلمة لاختبار نموذجنا الكوني

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

08 أبريل 2023 (أخبار Nanowerk) يبدو الأمر وكأنه مفارقة كلاسيكية: كيف ترى غير المرئي؟ لكن بالنسبة لعلماء الفلك المعاصرين ، فإن هذا تحدٍ حقيقي للغاية: كيف تقيس المادة المظلمة ، التي لا تصدر أي ضوء بحكم التعريف؟ الجواب: ترى كيف تؤثر على الأشياء التي يمكنك رؤيتها. في حالة المادة المظلمة ، يراقب الفلكيون كيف ينحني الضوء القادم من المجرات البعيدة حولها. قضى فريق دولي من علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات العام الماضي في إثارة أسرار هذه المادة المراوغة ، باستخدام محاكاة حاسوبية متطورة وملاحظات من إحدى أقوى الكاميرات الفلكية في العالم ، Hyper Suprime-Cam (HSC). يقود الفريق علماء فلك من جامعة برينستون والمجتمعات الفلكية في اليابان وتايوان ، باستخدام بيانات من السنوات الثلاث الأولى لمسح السماء HSC ، وهو مسح تصويري واسع النطاق تم إجراؤه باستخدام تلسكوب سوبارو بطول 8.2 متر على قمة Maunakea في هاواي. يتم تشغيل سوبارو من قبل المرصد الفلكي الوطني في اليابان ؛ اسمها هو الكلمة اليابانية لعنقود النجوم الذي نسميه الثريا. قدم الفريق النتائج التي توصلوا إليها في ندوة عبر الإنترنت حضرها أكثر من 200 شخص ، وسيشاركون عملهم في مؤتمر "Future Science with CMB x LSS" في اليابان.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

قال روحي دلال ، طالب دراسات عليا في الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون: "هدفنا العام هو قياس بعض أهم الخصائص الأساسية لكوننا". "نحن نعلم أن الطاقة المظلمة والمادة المظلمة تشكل 95٪ من كوننا ، لكننا لا نفهم سوى القليل جدًا عما هي عليه بالفعل وكيف تطورت على مدار تاريخ الكون. تشوه كتل المادة المظلمة ضوء المجرات البعيدة من خلال عدسات الجاذبية الضعيفة ، وهي ظاهرة تنبأت بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين. هذا التشويه هو تأثير صغير حقًا ؛ شكل مجرة واحدة مشوه بمقدار غير محسوس. ولكن عندما نجري هذا القياس لـ 25 مليون مجرة ، يمكننا قياس التشوه بدقة عالية. " للقفز إلى خط التثقيب: قام الفريق بقياس قيمة "تكتل" المادة المظلمة في الكون (المعروفة لعلماء الكونيات باسم "S8") من 0.776 ، والتي تتماشى مع القيم التي وجدتها دراسات عدسات الجاذبية الأخرى في النظر إلى الكون الحديث نسبيًا - لكنها لا تتوافق مع قيمة 0.83 المشتقة من الخلفية الكونية الميكروية ، والتي تعود إلى أصول الكون. الفجوة بين هاتين القيمتين صغيرة ، ولكن مع تأكيد المزيد والمزيد من الدراسات لكل من القيمتين ، لا يبدو أنها عرضية. الاحتمالات الأخرى هي أن هناك خطأ أو خطأ غير معروف حتى الآن في أحد هذين القياسين أو أن النموذج الكوني القياسي غير مكتمل بطريقة مثيرة للاهتمام. قال مايكل شتراوس ، رئيس قسم علوم الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون وأحد قادة فريق HSC: "ما زلنا حذرين إلى حد ما هنا". "نحن لا نقول إننا اكتشفنا للتو أن علم الكونيات الحديث خاطئ تمامًا ، لأنه ، كما أكد روحي ، التأثير الذي نقيسه دقيق للغاية. الآن ، نعتقد أننا قمنا بالقياس بشكل صحيح. وتظهر الإحصائيات أن هناك فرصة واحدة من بين عشرين فرصة لأن ذلك يرجع فقط إلى الصدفة ، وهو أمر مقنع ولكنه ليس نهائيًا تمامًا. ولكن نظرًا لأننا في مجتمع علم الفلك توصلنا إلى نفس النتيجة عبر تجارب متعددة ، بينما نستمر في إجراء هذه القياسات ، ربما نجد أنها حقيقية ". الثريا

هذه المجموعة من النجوم ، المعروفة باسم Pleiades لعلماء الفلك الغربيين ، تُعرف باسم Subaru في اليابان وتعطي اسمها إلى تلسكوب Subaru البالغ طوله 8.2 متر على قمة Maunakea في هاواي. يتم تشغيل سوبارو من قبل المرصد الفلكي الوطني في اليابان. (الصورة: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، أورا / معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، مرصد بالومار)

إخفاء وكشف البيانات

إن الفكرة القائلة بأن هناك حاجة إلى بعض التغيير في النموذج الكوني القياسي ، وأن هناك جزءًا أساسيًا من علم الكونيات لم يتم اكتشافه بعد ، هي فكرة جذابة للغاية لبعض العلماء. "نحن بشر ، ولدينا تفضيلات. هذا هو السبب في أننا نقوم بما نسميه التحليل "الأعمى" ، قال شتراوس. "أصبح العلماء على دراية بأنفسنا بما يكفي ليعرفوا أننا سننحاز لأنفسنا ، بغض النظر عن مدى حرصنا ، ما لم نقم بتحليلنا دون السماح لأنفسنا بمعرفة النتائج حتى النهاية. بالنسبة لي ، أود حقًا أن أجد شيئًا جديدًا بشكل أساسي. سيكون ذلك مثيرًا حقًا. ولكن لأنني متحيز في هذا الاتجاه ، نريد أن نكون حريصين للغاية على عدم السماح لذلك بالتأثير على أي تحليل نقوم به ". لحماية عملهم من تحيزاتهم ، قاموا حرفياً بإخفاء نتائجهم عن أنفسهم وعن زملائهم - شهرًا بعد شهر بعد شهر. قالت دلال: "لقد عملت على هذا التحليل لمدة عام ولم أستطع رؤية القيم التي ظهرت". حتى أن الفريق أضاف طبقة تشويش إضافية: أجروا تحليلاتهم على ثلاثة كتالوجات مجرات مختلفة ، واحدة حقيقية واثنتان بقيم عددية تقابلها قيم عشوائية. وقالت: "لم نكن نعرف أيًا منها كان حقيقيًا ، لذلك حتى لو شاهد شخصًا القيم عن طريق الخطأ ، فلن نعرف ما إذا كانت النتائج تستند إلى الكتالوج الحقيقي أم لا". في 16 فبراير ، اجتمع الفريق الدولي معًا على Zoom - في المساء في برينستون ، في الصباح في اليابان وتايوان - من أجل "فك التعمية". قال شتراوس: "لقد شعرنا وكأننا احتفال ، طقوس ، مررنا بها". "كشفنا النقاب عن البيانات وأدارنا مخططاتنا ، رأينا على الفور أنها كانت رائعة. ذهب الجميع ، "أوه ، يا للعجب!" وكان الجميع سعداء للغاية ". قامت دلال ورفيقتها في السكن بتفجير زجاجة شمبانيا في تلك الليلة.

مسح ضخم بأكبر كاميرا تلسكوب في العالم

HSC هي أكبر كاميرا في تلسكوب بحجمها في العالم ، وهي عبارة عن عباءة ستبقى حتى يبدأ مرصد Vera C. Rubin قيد الإنشاء حاليًا في جبال الأنديز التشيلية ، مسح تراث الفضاء والزمان (LSST) في أواخر عام 2024. في الواقع ، تتم معالجة البيانات الأولية من HSC باستخدام البرنامج المصمم لـ LSST. قال أندريس بلازاس ، باحث مشارك في جامعة برينستون: "إنه لأمر رائع أن نرى أن خطوط أنابيب البرامج لدينا قادرة على التعامل مع مثل هذه الكميات الكبيرة من البيانات قبل وقت طويل من LSST". يغطي المسح الذي استخدمه فريق البحث حوالي 420 درجة مربعة من السماء ، أي ما يعادل 2000 قمرة كاملة. إنها ليست قطعة واحدة متجاورة من السماء ، ولكنها مقسمة إلى ست قطع مختلفة ، كل منها بحجم يمكنك تغطيته بقبضة ممدودة. إن الـ 25 مليون مجرة التي قاموا بمسحها بعيدة جدًا لدرجة أنه بدلاً من رؤية هذه المجرات كما هي اليوم ، سجل HSC كيف كانت قبل مليارات السنين. تتوهج كل واحدة من هذه المجرات بنيران عشرات المليارات من الشموس ، ولكن لأنها بعيدة جدًا ، فهي خافتة للغاية ، أكثر خفوتًا بمقدار 25 مليون مرة من أضعف النجوم التي يمكننا رؤيتها بالعين المجردة. قالت ألكسندرا آمون ، عالمة الكونيات ، وهي زميلة أولى في جامعة كامبريدج في جامعة كامبريدج ، "إنه أمر مثير للغاية أن نرى هذه النتائج من تعاون HSC ، خاصة وأن هذه البيانات هي الأقرب لما نتوقعه من مرصد روبن ، الذي يعمل المجتمع من أجله معًا" كبير الباحثين في كلية ترينيتي لم يشارك في هذا البحث. "مسحهم العميق يجعل من البيانات الجميلة. بالنسبة لي ، من المثير للاهتمام أن HSC ، مثل استطلاعات العدسة الضعيفة الأخرى ، تشير إلى قيمة منخفضة لـ S8 - من المهم التحقق من الصحة ، ومن المثير أن تجبرنا هذه التوترات والاتجاهات على التوقف والتفكير فيما تخبرنا به هذه البيانات عن كوننا! "

النموذج الكوني القياسي

أوضحت أندرينا نيكولا من جامعة بون ، التي قدمت المشورة لدلال في هذا المشروع عندما كانت باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون ، أن النموذج القياسي لعلم الكونيات "بسيط بشكل مذهل" من بعض النواحي. يفترض النموذج أن الكون يتكون من أربعة مكونات أساسية فقط: المادة العادية (الذرات ، معظمها الهيدروجين والهيليوم) ، المادة المظلمة ، الطاقة المظلمة والفوتونات. وفقًا للنموذج القياسي ، كان الكون يتوسع منذ الانفجار العظيم قبل 13.8 مليار سنة: لقد بدأ بسلاسة تامة تقريبًا ، لكن سحب الجاذبية على التقلبات الدقيقة في الكون تسبب في بنية - مجرات محاطة بتكتلات من المادة المظلمة - لتشكيل. في الكون الحالي ، المساهمات النسبية للمادة العادية ، المادة المظلمة ، الطاقة المظلمة حوالي 5٪ ، 25٪ و 70٪ ، بالإضافة إلى مساهمة ضئيلة من الفوتونات. يتم تعريف النموذج القياسي من خلال عدد قليل فقط من الأرقام: معدل تمدد الكون. مقياس لمدى تكتل المادة المظلمة (S.8) ؛ المساهمات النسبية لمكونات الكون (الأرقام 5٪ ، 25٪ ، 70٪ أعلاه) ؛ الكثافة الكلية للكون ؛ وكمية تقنية تصف كيفية ارتباط تكتل الكون على المقاييس الكبيرة بتلك الموجودة على المقاييس الصغيرة. "وهذا في الأساس كل شيء!" قال شتراوس. "نحن ، المجتمع الكوني ، تقاربنا على هذا النموذج ، الذي كان موجودًا منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين." يتوق علماء الكونيات إلى اختبار هذا النموذج من خلال تقييد هذه الأرقام بطرق مختلفة ، مثل مراقبة التقلبات في الخلفية الكونية الميكروية (والتي هي في جوهرها صورة الكون الصغيرة ، والتقاط كيف بدا بعد 2000 عام) ، ونمذجة التوسع تاريخ الكون ، قياس تكتل الكون في الماضي القريب نسبيًا ، وغيرها. "نحن نؤكد إحساسًا متزايدًا في المجتمع بوجود تناقض حقيقي بين قياس التكتل في الكون المبكر (تم قياسه من CMB) وذلك من عصر المجرات ،" فقط "قبل 400,000 مليارات سنة ،" آرون كانوادي ، باحث مشارك في جامعة برينستون وشارك في التحليل.

خمسة خطوط هجوم

يقوم عمل دلال بما يسمى بتحليل فورييه لفضاء. قاد Xiangchong Li من جامعة Carnegie Mellon تحليلًا موازيًا للفضاء الحقيقي ، وعمل بالتعاون الوثيق مع Rachel Mandelbaum ، التي أكملت الفيزياء AB في عام 2000 وحصلت على درجة الدكتوراه. في عام 2006 ، كلاهما من برينستون. يأخذ تحليل ثالث ، يسمى تحليل 3 × 2 نقطة ، نهجًا مختلفًا لقياس إشارة انعكاس الجاذبية حول المجرات الفردية ، لمعايرة كمية المادة المظلمة المرتبطة بكل مجرة. قاد هذا التحليل سوناو سوجياما من جامعة طوكيو ، وهيروناو مياتاكي (زميل سابق في جامعة برينستون لما بعد الدكتوراه) من جامعة ناغويا وسورهود مور من المركز المشترك بين الجامعات لعلم الفلك والفيزياء الفلكية في بيون ، الهند. تستخدم هذه المجموعات الخمس من التحليلات بيانات HSC للوصول إلى نفس النتيجة حول S.8. قالت دلال إن القيام بكل من تحليل الفضاء الحقيقي وتحليل فورييه "كان نوعًا من التحقق من الصحة". عملت هي ولي بشكل وثيق لتنسيق تحليلاتهما باستخدام بيانات معماة. أي تناقضات بين هذين الأمرين قد تشير إلى أن منهجية الباحثين كانت خاطئة. قالت دلال: "لن يخبرنا ذلك كثيرًا عن الفيزياء الفلكية والمزيد عن كيفية فشلنا". وقالت: "لم نكن نعرف حتى إلغاء التعمية أن نتيجتين متطابقتين". "شعرت بأنها معجزة." وأضاف سوناو: “يجمع تحليلنا المكون من 3 × 2 نقطة بين تحليل العدسة الضعيف وتجمع المجرات. فقط بعد إلغاء التعمية ، علمنا أن نتائجنا كانت في اتفاق جميل مع نتائج Roohi و Xiangchong. حقيقة أن كل هذه التحليلات تعطي نفس الإجابة تعطينا الثقة بأننا نفعل شيئًا صحيحًا! "