Sådan ser du det usynlige: Brug af distributionen af mørkt stof til at teste vores kosmologiske model

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

08. april 2023 (Nanowerk nyheder) Det føles som et klassisk paradoks: Hvordan ser du det usynlige? Men for moderne astronomer er det en meget reel udfordring: Hvordan måler man mørkt stof, som per definition intet lys udsender? Svaret: Du ser, hvordan det påvirker ting, du kan se. I tilfælde af mørkt stof ser astronomer, hvordan lys fra fjerne galakser bøjer sig omkring det. Et internationalt hold af astrofysikere og kosmologer har brugt det seneste år på at tease hemmelighederne bag dette undvigende materiale ved hjælp af sofistikerede computersimuleringer og observationerne fra et af de mest kraftfulde astronomiske kameraer i verden, Hyper Suprime-Cam (HSC). Holdet ledes af astronomer fra Princeton University og de astronomiske samfund i Japan og Taiwan, ved hjælp af data fra de første tre år af HSC-himmelundersøgelsen, en bredfeltsundersøgelse udført med det 8.2 meter Subaru-teleskop på toppen af Maunakea på Hawai'i. Subaru drives af Japans National Astronomical Observatory; dets navn er det japanske ord for den hob af stjerner, vi kalder Plejaderne. Holdet præsenterede deres resultater på et webinar, hvor mere end 200 personer deltog, og de vil dele deres arbejde på konferencen "Future Science with CMB x LSS" i Japan.

[Indlejret indhold]

"Vores overordnede mål er at måle nogle af de mest fundamentale egenskaber ved vores univers," sagde Roohi Dalal, en kandidatstuderende i astrofysik ved Princeton. "Vi ved, at mørk energi og mørkt stof udgør 95% af vores univers, men vi forstår meget lidt om, hvad de faktisk er, og hvordan de har udviklet sig i løbet af universets historie. Klumper af mørkt stof forvrænger lyset fra fjerne galakser gennem svag gravitationslinser, et fænomen forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Denne forvrængning er en virkelig, virkelig lille effekt; formen af en enkelt galakse er umærkelig forvrænget. Men når vi foretager den måling for 25 millioner galakser, er vi i stand til at måle forvrængningen med ret høj præcision." For at springe til punchline: Holdet har målt en værdi for "klumpheden" af universets mørke stof (kendt af kosmologer som "S8”) på 0.776, som stemmer overens med værdier, som andre gravitationslinseundersøgelser har fundet ved at se på det relativt nyere univers - men det stemmer ikke overens med værdien på 0.83 afledt af Cosmic Microwave Background, som går tilbage til universets oprindelse. Gabet mellem disse to værdier er lille, men da flere og flere undersøgelser bekræfter hver af de to værdier, ser det ikke ud til at være tilfældigt. De andre muligheder er, at der er en endnu ikke-erkendt fejl eller fejl i en af disse to målinger, eller også er den kosmologiske standardmodel ufuldstændig på en interessant måde. "Vi er stadig ret forsigtige her," sagde Michael Strauss, formand for Princetons Institut for Astrofysiske Videnskaber og en af lederne af HSC-teamet. "Vi siger ikke, at vi lige har opdaget, at moderne kosmologi er helt forkert, for, som Roohi har understreget, er den effekt, vi måler, meget subtil. Nu mener vi, at vi har udført målingen rigtigt. Og statistikken viser, at der kun er én ud af 20 chancer for, at det kun skyldes tilfældigheder, hvilket er overbevisende, men ikke helt endegyldigt. Men efterhånden som vi i astronomisamfundet kommer til den samme konklusion over flere eksperimenter, når vi bliver ved med at udføre disse målinger, opdager vi måske, at det er ægte."

Denne klynge af stjerner, kendt som Plejaderne for vestlige astronomer, er kendt som Subaru i Japan og giver sit navn til det 8.2 meter lange Subaru-teleskop på toppen af Maunakea i Hawai'i. Subaru drives af Japans National Astronomical Observatory. (Billede: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

Skjulning og afdækning af data

Ideen om, at der er behov for en ændring i den standard kosmologiske model, at der er et eller andet grundlæggende stykke kosmologi, der endnu ikke skal opdages, er en lækkert lokkende for nogle videnskabsmænd. "Vi er mennesker, og vi har præferencer. Det er derfor, vi laver det, vi kalder en 'blindet' analyse,” sagde Strauss. "Forskere er blevet selvbevidste nok til at vide, at vi vil påvirke os selv, uanset hvor forsigtige vi er, medmindre vi udfører vores analyse uden at tillade os selv at kende resultaterne indtil slutningen. For mig ville jeg elske virkelig at finde noget fundamentalt nyt. Det ville være rigtig spændende. Men fordi jeg er fordomsfuld i den retning, vil vi være meget forsigtige med ikke at lade det påvirke enhver analyse, vi laver." For at beskytte deres arbejde mod deres fordomme, skjulte de bogstaveligt talt deres resultater for dem selv og deres kolleger - måned efter måned efter måned. "Jeg arbejdede på denne analyse i et år og nåede ikke at se de værdier, der kom ud," sagde Dalal. Holdet tilføjede endda et ekstra slørende lag: de kørte deres analyser på tre forskellige galaksekataloger, et reelt og to med numeriske værdier forskudt af tilfældige værdier. "Vi vidste ikke, hvilken af dem der var ægte, så selvom nogen ved et uheld så værdierne, ville vi ikke vide, om resultaterne var baseret på det rigtige katalog eller ej," sagde hun. Den 16. februar samledes det internationale hold på Zoom - om aftenen i Princeton, om morgenen i Japan og Taiwan - for at "afblænde". "Det føltes som en ceremoni, et ritual, vi gik igennem," sagde Strauss. "Vi afslørede dataene og kørte vores plots, med det samme så vi, at det var fantastisk. Alle sagde: 'Åh, puha!' og alle var meget glade." Dalal og hendes værelseskammerat sprang en flaske champagne den aften.

En kæmpe undersøgelse med verdens største teleskopkamera

HSC er det største kamera på et teleskop af dens størrelse i verden, en kappe det vil holde, indtil Vera C. Rubin-observatoriet, der i øjeblikket er under opførelse i de chilenske Andesbjerge, begynder Legacy Survey of Space and Time (LSST) i slutningen af 2024. Faktisk behandles rådata fra HSC med softwaren designet til LSST. "Det er fascinerende at se, at vores softwarepipelines er i stand til at håndtere så store mængder data langt før LSST," sagde Andrés Plazas, en associeret forsker ved Princeton. Undersøgelsen, som forskerholdet brugte, dækker omkring 420 kvadratgrader af himlen, omtrent hvad der svarer til 2000 fuldmåner. Det er ikke en enkelt sammenhængende del af himlen, men opdelt i seks forskellige stykker, hver omkring den størrelse, som du kunne dække med en strakt knytnæve. De 25 millioner galakser, de undersøgte, er så fjerne, at i stedet for at se disse galakser, som de er i dag, registrerede HSC, hvordan de var for milliarder af år siden. Hver af disse galakser lyser med ild fra titusinder af sole, men fordi de er så langt væk, er de ekstremt svage, så meget som 25 millioner gange svagere end de svageste stjerner, vi kan se med det blotte øje. "Det er ekstremt spændende at se disse resultater fra HSC-samarbejde, især da disse data er tættest på det, vi forventer fra Rubin Observatory, som samfundet arbejder hen imod sammen," sagde kosmolog Alexandra Amon, en Senior Kavli Fellow ved Cambridge University og en seniorforsker ved Trinity College, som ikke var involveret i denne forskning. "Deres dybe undersøgelse giver smukke data. For mig er det spændende, at HSC ligesom de andre uafhængige svage linseundersøgelser peger på en lav værdi for S8 — det er vigtig validering og spændende, at disse spændinger og tendenser tvinger os til at stoppe op og tænke over, hvad disse data fortæller os om vores univers!"

Den kosmologiske standardmodel

Standardmodellen for kosmologi er "forbavsende simpel" på nogle måder, forklarede Andrina Nicola fra University of Bonn, som rådgav Dalal om dette projekt, da hun var postdoc ved Princeton. Modellen hævder, at universet kun består af fire grundlæggende bestanddele: almindeligt stof (atomer, mest brint og helium), mørkt stof, mørk energi og fotoner. Ifølge standardmodellen har universet udvidet sig siden Big Bang for 13.8 milliarder år siden: det startede næsten perfekt jævnt, men tyngdekraftens træk på de subtile udsving i universet har forårsaget struktur - galakser indhyllet i klumper af mørkt stof - at danne. I det nuværende univers er de relative bidrag fra almindeligt stof, mørkt stof, mørk energi omkring 5 %, 25 % og 70 %, plus et lille bidrag fra fotoner. Standardmodellen er kun defineret af en håndfuld tal: universets ekspansionshastighed; et mål for hvor klumpet det mørke stof er (S8); de relative bidrag fra universets bestanddele (5%, 25%, 70% tallene ovenfor); universets samlede tæthed; og en teknisk størrelse, der beskriver, hvordan universets klumpethed på store skalaer forholder sig til den på små skalaer. "Og det er i bund og grund det!" sagde Strauss. "Vi, det kosmologiske samfund, er gået sammen om denne model, som har været på plads siden begyndelsen af 2000'erne." Kosmologer er ivrige efter at teste denne model ved at begrænse disse tal på forskellige måder, såsom ved at observere fluktuationerne i den kosmiske mikrobølgebaggrund (som i bund og grund er universets babybillede, der fanger, hvordan det så ud efter de første 400,000 år), modellering af udvidelsen universets historie, måling af universets klumpethed i den relativt nyere fortid og andre. "Vi bekræfter en voksende følelse i samfundet af, at der er en reel uoverensstemmelse mellem målingen af sammenklumpning i det tidlige univers (målt fra CMB) og målingen fra galaksernes æra for 'kun' 9 milliarder år siden," sagde Arun Kannawadi, en associeret forsker ved Princeton, som var involveret i analysen.

Fem angrebslinjer

Dalals arbejde laver en såkaldt Fourier-rumsanalyse; en parallel real-space-analyse blev ledet af Xiangchong Li fra Carnegie Mellon University, som arbejdede i tæt samarbejde med Rachel Mandelbaum, som afsluttede sit fysik AB i 2000 og sin ph.d. i 2006, begge fra Princeton. En tredje analyse, en såkaldt 3×2-punktsanalyse, tager en anden tilgang til at måle gravitationslinsesignalet omkring individuelle galakser for at kalibrere mængden af mørkt stof, der er forbundet med hver galakse. Denne analyse blev ledet af Sunao Sugiyama fra University of Tokyo, Hironao Miyatake (en tidligere Princeton postdoc-stipendiat) fra Nagoya University og Surhud More fra Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics i Pune, Indien. Disse fem sæt analyser bruger hver HSC-data til at komme til den samme konklusion om S8. At lave både real-space-analysen og Fourier-space-analysen "var en slags fornuftskontrol," sagde Dalal. Hun og Li arbejdede tæt sammen for at koordinere deres analyser ved at bruge blindede data. Enhver uoverensstemmelse mellem disse to ville sige, at forskernes metodologi var forkert. "Det ville fortælle os mindre om astrofysik og mere om, hvordan vi kunne have skruet sammen," sagde Dalal. "Vi vidste ikke før afblændingen, at to resultater var helt identiske," sagde hun. "Det føltes mirakuløst." Sunao tilføjede: "Vores 3×2-punktsanalyse kombinerer den svage linseanalyse med klyngning af galakser. Først efter afblændingen vidste vi, at vores resultater stemte smukt overens med dem fra Roohi og Xiangchong. At alle disse analyser giver det samme svar giver os tillid til, at vi gør noget rigtigt!”