Wie man das Unsichtbare sieht: Verwendung der Verteilung der Dunklen Materie zum Testen unseres kosmologischen Modells

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08 (Nanowerk-Neuigkeiten) Es fühlt sich an wie ein klassisches Paradoxon: Wie sieht man das Unsichtbare? Aber für moderne Astronomen ist es eine sehr reale Herausforderung: Wie misst man dunkle Materie, die per Definition kein Licht aussendet? Die Antwort: Sie sehen, wie es sich auf Dinge auswirkt, die Sie sehen können. Bei der Dunklen Materie beobachten Astronomen, wie sich das Licht entfernter Galaxien um sie herum beugt. Ein internationales Team aus Astrophysikern und Kosmologen hat im vergangenen Jahr die Geheimnisse dieses schwer fassbaren Materials mithilfe ausgefeilter Computersimulationen und der Beobachtungen einer der leistungsstärksten astronomischen Kameras der Welt, der Hyper Suprime-Cam (HSC), erforscht. Das Team wird von Astronomen der Princeton University und den astronomischen Gemeinschaften Japans und Taiwans geleitet und verwendet Daten aus den ersten drei Jahren der HSC-Himmelsdurchmusterung, einer Weitfeld-Bildgebungsdurchmusterung, die mit dem 8.2-Meter-Subaru-Teleskop auf dem Gipfel von durchgeführt wurde Maunakea auf Hawaii. Subaru wird vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans betrieben; Sein Name ist das japanische Wort für die Sternhaufen, die wir Plejaden nennen. Das Team präsentierte seine Ergebnisse in einem Webinar, an dem mehr als 200 Personen teilnahmen, und es wird seine Arbeit auf der Konferenz „Future Science with CMB x LSS“ in Japan vorstellen.

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„Unser übergeordnetes Ziel ist es, einige der grundlegendsten Eigenschaften unseres Universums zu messen“, sagte Roohi Dalal, ein Doktorand der Astrophysik in Princeton. „Wir wissen, dass dunkle Energie und dunkle Materie 95 % unseres Universums ausmachen, aber wir verstehen sehr wenig darüber, was sie eigentlich sind und wie sie sich im Laufe der Geschichte des Universums entwickelt haben. Klumpen dunkler Materie verzerren das Licht entfernter Galaxien durch schwache Gravitationslinsen, ein Phänomen, das in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Diese Verzerrung ist ein wirklich, wirklich kleiner Effekt; Die Form einer einzelnen Galaxie wird unmerklich verzerrt. Aber wenn wir diese Messung für 25 Millionen Galaxien durchführen, können wir die Verzerrung mit ziemlich hoher Präzision messen.“ Um es auf den Punkt zu bringen: Das Team hat einen Wert für die „Klumpigkeit“ der Dunklen Materie des Universums gemessen (bei Kosmologen als „S8) von 0.776, was mit Werten übereinstimmt, die andere Gravitationslinsenuntersuchungen bei der Betrachtung des relativ jungen Universums gefunden haben – aber es stimmt nicht mit dem Wert von 0.83 überein, der aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet wurde, der auf die Ursprünge des Universums zurückgeht. Der Abstand zwischen diesen beiden Werten ist gering, aber da immer mehr Studien jeden der beiden Werte bestätigen, scheint dies kein Zufall zu sein. Die anderen Möglichkeiten bestehen darin, dass in einer dieser beiden Messungen ein noch nicht erkannter Fehler vorliegt oder dass das kosmologische Standardmodell auf interessante Weise unvollständig ist. „Wir sind hier immer noch ziemlich vorsichtig“, sagte Michael Strauss, Vorsitzender der Abteilung für Astrophysikalische Wissenschaften in Princeton und einer der Leiter des HSC-Teams. „Wir sagen nicht, dass wir gerade erst entdeckt haben, dass die moderne Kosmologie völlig falsch ist, denn wie Roohi betont hat, ist der Effekt, den wir messen, ein sehr subtiler. Nun denken wir, dass wir die Messung richtig gemacht haben. Und die Statistiken zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich nur um einen Zufall handelt, nur bei eins zu 20 liegt, was zwar überzeugend, aber nicht völlig sicher ist. Aber da wir in der Astronomie-Gemeinschaft in mehreren Experimenten zu dem gleichen Schluss kommen und diese Messungen immer wieder durchführen, stellen wir vielleicht fest, dass es real ist.“

Dieser Sternhaufen, den westliche Astronomen Plejaden nennen, ist in Japan als Subaru bekannt und gibt dem 8.2-Meter-Subaru-Teleskop auf dem Gipfel des Maunakea in Hawaii seinen Namen. Subaru wird vom Nationalen Astronomischen Observatorium Japans betrieben. (Bild: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

Verstecken und Aufdecken der Daten

Die Vorstellung, dass am kosmologischen Standardmodell etwas geändert werden muss und dass ein grundlegender Teil der Kosmologie noch entdeckt werden muss, ist für einige Wissenschaftler äußerst verlockend. „Wir sind Menschen und haben Vorlieben. Deshalb führen wir eine so genannte „verblindete“ Analyse durch“, sagte Strauss. „Wissenschaftler sind sich selbst genug bewusst geworden, um zu wissen, dass wir uns selbst voreingenommen werden, egal wie vorsichtig wir sind, es sei denn, wir führen unsere Analyse durch, ohne uns die Ergebnisse bis zum Ende mitzuteilen. Für mich würde ich gerne wirklich etwas grundlegend Neues finden. Das wäre wirklich spannend. Aber weil ich in dieser Richtung Vorurteile habe, wollen wir sehr darauf achten, dass dies unsere Analysen nicht beeinflusst.“ Um ihre Arbeit vor ihren Vorurteilen zu schützen, verheimlichten sie ihre Ergebnisse im wahrsten Sinne des Wortes vor sich selbst und ihren Kollegen – Monat für Monat für Monat. „Ich habe ein Jahr lang an dieser Analyse gearbeitet und konnte die Werte, die dabei herauskamen, nicht erkennen“, sagte Dalal. Das Team fügte sogar eine zusätzliche Verschleierungsebene hinzu: Sie führten ihre Analysen an drei verschiedenen Galaxienkatalogen durch, einem realen und zwei mit numerischen Werten, die durch zufällige Werte versetzt wurden. „Wir wussten nicht, welche davon echt waren, und selbst wenn jemand die Werte versehentlich gesehen hätte, wüssten wir nicht, ob die Ergebnisse auf dem echten Katalog basierten oder nicht“, sagte sie. Am 16. Februar traf sich das internationale Team auf Zoom – abends in Princeton, morgens in Japan und Taiwan – zur „Entblindung“. „Es fühlte sich an wie eine Zeremonie, ein Ritual, das wir durchlaufen haben“, sagte Strauss. „Wir haben die Daten veröffentlicht und unsere Plots getestet. Wir haben sofort gesehen, dass es großartig ist. Alle sagten: „Oh, puh!“ und alle waren sehr glücklich.“ Dalal und ihre Mitbewohnerin tranken an diesem Abend eine Flasche Champagner.

Eine riesige Durchmusterung mit der weltweit größten Teleskopkamera

HSC ist die weltweit größte Kamera an einem Teleskop dieser Größe, ein Mantel, den sie behalten wird, bis das derzeit im Bau befindliche Vera C. Rubin-Observatorium in den chilenischen Anden Ende 2024 mit der Legacy Survey of Space and Time (LSST) beginnt. Tatsächlich werden die Rohdaten von HSC mit der für LSST entwickelten Software verarbeitet. „Es ist faszinierend zu sehen, dass unsere Software-Pipelines in der Lage sind, so große Datenmengen weit vor LSST zu verarbeiten“, sagte Andrés Plazas, Associate Research Scholar in Princeton. Die vom Forschungsteam verwendete Vermessung deckt etwa 420 Quadratgrad des Himmels ab, was etwa 2000 Vollmonden entspricht. Es handelt sich nicht um ein einzelnes zusammenhängendes Stück Himmel, sondern um sechs verschiedene Stücke, von denen jedes etwa so groß ist, dass man es mit einer ausgestreckten Faust abdecken könnte. Die 25 Millionen Galaxien, die sie untersuchten, sind so weit entfernt, dass das HSC diese Galaxien nicht so sah, wie sie heute sind, sondern wie sie vor Milliarden von Jahren waren. Jede dieser Galaxien leuchtet im Feuer von zig Milliarden Sonnen, aber weil sie so weit entfernt sind, sind sie extrem lichtschwach, bis zu 25 Millionen Mal lichtschwächer als die schwächsten Sterne, die wir mit bloßem Auge sehen können. „Es ist äußerst aufregend, diese Ergebnisse der HSC-Zusammenarbeit zu sehen, insbesondere da diese Daten am nächsten kommen, was wir vom Rubin-Observatorium erwarten, auf das die Gemeinschaft gemeinsam hinarbeitet“, sagte die Kosmologin Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow an der Universität Cambridge und a leitender Forscher am Trinity College, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Ihre umfassende Untersuchung liefert wunderschöne Daten. Für mich ist es faszinierend, dass HSC, wie auch die anderen unabhängigen Untersuchungen zum schwachen Linseneffekt, auf einen niedrigen Wert für S hinweisen8 – Es ist eine wichtige Bestätigung und aufregend, dass diese Spannungen und Trends uns dazu zwingen, innezuhalten und darüber nachzudenken, was uns diese Daten über unser Universum sagen!“

Das kosmologische Standardmodell

Das Standardmodell der Kosmologie sei in mancher Hinsicht „erstaunlich einfach“, erklärte Andrina Nicola von der Universität Bonn, die Dalal bei diesem Projekt beriet, als sie Postdoktorandin in Princeton war. Das Modell geht davon aus, dass das Universum nur aus vier Grundbestandteilen besteht: gewöhnliche Materie (Atome, hauptsächlich Wasserstoff und Helium), dunkle Materie, dunkle Energie und Photonen. Nach dem Standardmodell dehnt sich das Universum seit dem Urknall vor 13.8 Milliarden Jahren aus: Zu Beginn war es fast völlig gleichmäßig, aber die Anziehungskraft der Schwerkraft auf die subtilen Fluktuationen im Universum hat eine Struktur geschaffen – Galaxien, die von Klumpen dunkler Materie umgeben sind. Formen. Im heutigen Universum betragen die relativen Beiträge der gewöhnlichen Materie, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie etwa 5 %, 25 % und 70 %, zuzüglich eines winzigen Beitrags von Photonen. Das Standardmodell wird nur durch eine Handvoll Zahlen definiert: die Expansionsrate des Universums; ein Maß dafür, wie klumpig die dunkle Materie ist (S8); die relativen Beiträge der Bestandteile des Universums (die oben genannten Zahlen von 5 %, 25 %, 70 %); die Gesamtdichte des Universums; und eine technische Größe, die beschreibt, wie die Klumpigkeit des Universums auf großen Skalen mit der auf kleinen Skalen zusammenhängt. „Und das ist es im Grunde!“ sagte Strauss. „Wir, die kosmologische Gemeinschaft, haben uns diesem Modell angenähert, das seit den frühen 2000er Jahren gilt.“ Kosmologen sind bestrebt, dieses Modell zu testen, indem sie diese Zahlen auf verschiedene Weise einschränken, beispielsweise durch Beobachtung der Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (der im Wesentlichen das Babybild des Universums darstellt, das einfängt, wie es nach seinen ersten 400,000 Jahren aussah) und die Expansion modellieren Geschichte des Universums, Messung der Klumpenbildung des Universums in der relativ jungen Vergangenheit und andere. „Wir bestätigen ein wachsendes Gefühl in der Gemeinschaft, dass es eine echte Diskrepanz zwischen der Messung der Klumpenbildung im frühen Universum (gemessen vom CMB) und der Messung aus der Ära der Galaxien vor ‚nur‘ 9 Milliarden Jahren gibt“, sagte er Arun Kannawadi, ein Associate Research Scholar in Princeton, der an der Analyse beteiligt war.

Fünf Angriffslinien

Dalals Arbeit führt eine sogenannte Fourier-Raum-Analyse durch; Eine parallele Realraumanalyse wurde von Xiangchong Li von der Carnegie Mellon University geleitet, der eng mit Rachel Mandelbaum zusammenarbeitete, die im Jahr 2000 ihren Physik-AB-Abschluss und ihren Ph.D. abschloss. im Jahr 2006, beide aus Princeton. Eine dritte Analyse, eine sogenannte 3×2-Punkt-Analyse, verfolgt einen anderen Ansatz zur Messung des Gravitationslinsensignals um einzelne Galaxien, um die Menge an dunkler Materie zu kalibrieren, die jeder Galaxie zugeordnet ist. Diese Analyse wurde von Sunao Sugiyama von der Universität Tokio, Hironao Miyatake (ehemaliger Postdoktorand aus Princeton) von der Universität Nagoya und Surhud More vom Interuniversitären Zentrum für Astronomie und Astrophysik in Pune, Indien, geleitet. Diese fünf Analysereihen nutzen jeweils die HSC-Daten, um zu derselben Schlussfolgerung über S. zu gelangen8. Die Durchführung sowohl der Realraumanalyse als auch der Fourierraumanalyse „war eine Art Plausibilitätsprüfung“, sagte Dalal. Sie und Li arbeiteten eng zusammen, um ihre Analysen mithilfe verblindeter Daten zu koordinieren. Jegliche Diskrepanz zwischen diesen beiden würde darauf hindeuten, dass die Methodik der Forscher falsch war. „Es würde uns weniger über die Astrophysik erzählen als vielmehr darüber, wie wir es möglicherweise vermasselt haben“, sagte Dalal. „Bis zur Entblindung wussten wir nicht, dass die beiden Ergebnisse absolut identisch waren“, sagte sie. „Es fühlte sich wie ein Wunder an.“ Sunao fügte hinzu: „Unsere 3×2-Punkt-Analyse kombiniert die Analyse des schwachen Linseneffekts mit der Anhäufung von Galaxien. Erst nach der Entblindung wussten wir, dass unsere Ergebnisse wunderbar mit denen von Roohi und Xiangchong übereinstimmten. Die Tatsache, dass alle diese Analysen die gleiche Antwort liefern, gibt uns die Gewissheit, dass wir etwas richtig machen!“