Πώς να δείτε το αόρατο: Χρησιμοποιώντας την κατανομή της σκοτεινής ύλης για να δοκιμάσετε το κοσμολογικό μας μοντέλο

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

08 Απριλίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Αισθάνεται σαν ένα κλασικό παράδοξο: Πώς βλέπεις το αόρατο; Αλλά για τους σύγχρονους αστρονόμους, είναι μια πολύ πραγματική πρόκληση: Πώς μετράτε τη σκοτεινή ύλη, η οποία εξ ορισμού δεν εκπέμπει φως; Η απάντηση: Βλέπετε πώς επηρεάζει τα πράγματα που μπορείτε να δείτε. Στην περίπτωση της σκοτεινής ύλης, οι αστρονόμοι παρακολουθούν πώς το φως από μακρινούς γαλαξίες κάμπτεται γύρω της. Μια διεθνής ομάδα αστροφυσικών και κοσμολόγων πέρασε τον περασμένο χρόνο πειράζοντας τα μυστικά αυτού του άπιαστου υλικού, χρησιμοποιώντας εξελιγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή και τις παρατηρήσεις από μια από τις πιο ισχυρές αστρονομικές κάμερες στον κόσμο, την Hyper Suprime-Cam (HSC). Η ομάδα ηγείται από αστρονόμους από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και τις αστρονομικές κοινότητες της Ιαπωνίας και της Ταϊβάν, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τα τρία πρώτα χρόνια της έρευνας του ουρανού HSC, μιας έρευνας απεικόνισης ευρέως πεδίου που πραγματοποιήθηκε με το τηλεσκόπιο Subaru 8.2 μέτρων στην κορυφή του Maunakea στη Χαβάη. Το Subaru λειτουργεί από το Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας. Το όνομά του είναι η ιαπωνική λέξη για το σμήνος των αστεριών που ονομάζουμε Πλειάδες. Η ομάδα παρουσίασε τα ευρήματά της σε ένα διαδικτυακό σεμινάριο στο οποίο συμμετείχαν περισσότερα από 200 άτομα και θα μοιραστούν τη δουλειά τους στο συνέδριο «Future Science with CMB x LSS» στην Ιαπωνία.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

«Ο γενικός μας στόχος είναι να μετρήσουμε μερικές από τις πιο θεμελιώδεις ιδιότητες του σύμπαντός μας», δήλωσε ο Roohi Dalal, μεταπτυχιακός φοιτητής στην αστροφυσική στο Πρίνστον. «Γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη αποτελούν το 95% του σύμπαντός μας, αλλά καταλαβαίνουμε πολύ λίγα για το τι είναι στην πραγματικότητα και πώς έχουν εξελιχθεί στην ιστορία του σύμπαντος. Συστάδες σκοτεινής ύλης παραμορφώνουν το φως μακρινών γαλαξιών μέσω ασθενούς βαρυτικού φακού, ένα φαινόμενο που προβλέφθηκε από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτή η παραμόρφωση είναι ένα πραγματικά, πολύ μικρό αποτέλεσμα. το σχήμα ενός μόνο γαλαξία παραμορφώνεται κατά ανεπαίσθητο ποσό. Αλλά όταν κάνουμε αυτή τη μέτρηση για 25 εκατομμύρια γαλαξίες, είμαστε σε θέση να μετρήσουμε την παραμόρφωση με αρκετά υψηλή ακρίβεια». Για να πηδήξετε στη γραμμή γροθιάς: Η ομάδα μέτρησε μια τιμή για την «συστάδα» της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος (γνωστή στους κοσμολόγους ως «S8”) του 0.776, το οποίο ευθυγραμμίζεται με τις τιμές που βρήκαν άλλες έρευνες βαρυτικού φακού κοιτάζοντας το σχετικά πρόσφατο σύμπαν — αλλά δεν ευθυγραμμίζεται με την τιμή 0.83 που προέρχεται από το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων, το οποίο χρονολογείται από την αρχή του σύμπαντος. Το χάσμα μεταξύ αυτών των δύο τιμών είναι μικρό, αλλά καθώς όλο και περισσότερες μελέτες επιβεβαιώνουν καθεμία από τις δύο τιμές, δεν φαίνεται να είναι τυχαίο. Οι άλλες πιθανότητες είναι ότι υπάρχει κάποιο λάθος ή λάθος που δεν έχει ακόμη αναγνωριστεί σε μία από αυτές τις δύο μετρήσεις ή ότι το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο είναι ελλιπές με κάποιο ενδιαφέρον τρόπο. «Είμαστε ακόμα αρκετά προσεκτικοί εδώ», είπε ο Μάικλ Στράους, πρόεδρος του Τμήματος Αστροφυσικών Επιστημών του Πρίνστον και ένας από τους ηγέτες της ομάδας HSC. «Δεν λέμε ότι μόλις ανακαλύψαμε ότι η σύγχρονη κοσμολογία είναι λάθος, γιατί, όπως τόνισε ο Roohi, το αποτέλεσμα που μετράμε είναι πολύ λεπτό. Τώρα, πιστεύουμε ότι κάναμε τη μέτρηση σωστά. Και τα στατιστικά δείχνουν ότι υπάρχει μόνο μία στις 20 πιθανότητες να οφείλεται απλώς στην τύχη, κάτι που είναι επιτακτικό αλλά όχι εντελώς οριστικό. Αλλά καθώς εμείς στην κοινότητα της αστρονομίας καταλήγουμε στο ίδιο συμπέρασμα με πολλαπλά πειράματα, καθώς συνεχίζουμε να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις, ίσως διαπιστώνουμε ότι είναι αληθινό».

Αυτό το σμήνος αστεριών, γνωστό ως Πλειάδες στους δυτικούς αστρονόμους, είναι γνωστό ως Subaru στην Ιαπωνία και δίνει το όνομά του στο τηλεσκόπιο Subaru μήκους 8.2 μέτρων στην κορυφή της Maunakea στη Χαβάη. Το Subaru λειτουργεί από το Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας. (Εικόνα: NASA, ESA, AURA/Caltech, Παρατηρητήριο Palomar)

Απόκρυψη και αποκάλυψη των δεδομένων

Η ιδέα ότι χρειάζεται κάποια αλλαγή στο τυπικό κοσμολογικό μοντέλο, ότι υπάρχει κάποιο θεμελιώδες κομμάτι της κοσμολογίας που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί, είναι απολαυστικά δελεαστική για ορισμένους επιστήμονες. «Είμαστε άνθρωποι και έχουμε προτιμήσεις. Γι' αυτό κάνουμε αυτό που λέμε «τυφλή» ανάλυση», είπε ο Στράους. «Οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει αρκετά τον εαυτό μας ώστε να γνωρίζουν ότι θα προκατειληθούμε, ανεξάρτητα από το πόσο προσεκτικοί είμαστε, εκτός εάν πραγματοποιήσουμε την ανάλυσή μας χωρίς να επιτρέψουμε στον εαυτό μας να γνωρίζει τα αποτελέσματα μέχρι το τέλος. Για μένα, θα ήθελα πολύ να βρω κάτι θεμελιωδώς νέο. Αυτό θα ήταν πραγματικά συναρπαστικό. Αλλά επειδή είμαι προκατειλημμένος προς αυτή την κατεύθυνση, θέλουμε να είμαστε πολύ προσεκτικοί να μην επιτρέψουμε να επηρεάσει οποιαδήποτε ανάλυση που κάνουμε». Για να προστατεύσουν τη δουλειά τους από τις προκαταλήψεις τους, έκρυψαν κυριολεκτικά τα αποτελέσματά τους από τους εαυτούς τους και τους συναδέλφους τους — μήνα με τον μήνα με τον μήνα. «Εργάστηκα σε αυτήν την ανάλυση για ένα χρόνο και δεν κατάφερα να δω τις αξίες που έβγαιναν», είπε ο Dalal. Η ομάδα πρόσθεσε ακόμη και ένα επιπλέον συγκεχυμένο στρώμα: έτρεξαν τις αναλύσεις τους σε τρεις διαφορετικούς καταλόγους γαλαξιών, έναν πραγματικό και δύο με αριθμητικές τιμές που αντισταθμίζονται από τυχαίες τιμές. «Δεν ξέραμε ποιο από αυτά ήταν αληθινό, οπότε ακόμα κι αν κάποιος έβλεπε κατά λάθος τις τιμές, δεν θα ξέραμε αν τα αποτελέσματα βασίστηκαν στον πραγματικό κατάλογο ή όχι», είπε. Στις 16 Φεβρουαρίου, η διεθνής ομάδα συγκεντρώθηκε στο Zoom - το βράδυ στο Πρίνστον, το πρωί στην Ιαπωνία και την Ταϊβάν - για το «ξετυφλωτικό». «Ένιωσα σαν μια τελετή, μια τελετουργία, που περάσαμε», είπε ο Στράους. «Αποκαλύψαμε τα δεδομένα και εκτελέσαμε τα οικόπεδά μας, αμέσως είδαμε ότι ήταν υπέροχο. Όλοι πήγαν, "Ω, ουάου!" και όλοι ήταν πολύ χαρούμενοι». Η Νταλάλ και η συγκάτοικός της έσκασαν ένα μπουκάλι σαμπάνια εκείνο το βράδυ.

Μια τεράστια έρευνα με τη μεγαλύτερη τηλεσκοπική κάμερα στον κόσμο

Το HSC είναι η μεγαλύτερη κάμερα σε τηλεσκόπιο του μεγέθους του στον κόσμο, ένας μανδύας που θα κρατήσει έως ότου το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin που βρίσκεται υπό κατασκευή στις Χιλιανές Άνδεις, ξεκινήσει την Έρευνα Κληρονομιάς του Χώρου και του Χρόνου (LSST) στα τέλη του 2024. Στην πραγματικότητα, τα ακατέργαστα δεδομένα από το HSC επεξεργάζονται με το λογισμικό που έχει σχεδιαστεί για το LSST. «Είναι συναρπαστικό να βλέπουμε ότι οι αγωγοί λογισμικού μας είναι σε θέση να χειρίζονται τόσο μεγάλες ποσότητες δεδομένων πολύ μπροστά από το LSST», δήλωσε ο Andrés Plazas, συνεργάτης ερευνητής στο Πρίνστον. Η έρευνα που χρησιμοποίησε η ερευνητική ομάδα καλύπτει περίπου 420 τετραγωνικές μοίρες του ουρανού, περίπου ισοδύναμο με 2000 πανσέληνους. Δεν είναι ένα ενιαίο συνεχόμενο κομμάτι ουρανού, αλλά χωρισμένο σε έξι διαφορετικά κομμάτια, το καθένα περίπου στο μέγεθος που θα μπορούσατε να καλύψετε με μια τεντωμένη γροθιά. Οι 25 εκατομμύρια γαλαξίες που εξέτασαν είναι τόσο μακρινοί που αντί να δει αυτούς τους γαλαξίες όπως είναι σήμερα, το HSC κατέγραψε πώς ήταν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Καθένας από αυτούς τους γαλαξίες λάμπει με τις πυρκαγιές δεκάδων δισεκατομμυρίων ήλιων, αλλά επειδή είναι τόσο μακριά, είναι εξαιρετικά αχνοί, έως και 25 εκατομμύρια φορές πιο αμυδροί από τα πιο αχνά αστέρια που μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι. «Είναι εξαιρετικά συναρπαστικό να βλέπουμε αυτά τα αποτελέσματα από τη συνεργασία του HSC, ειδικά καθώς αυτά τα δεδομένα είναι πιο κοντά σε αυτό που περιμένουμε από το Παρατηρητήριο Rubin, για το οποίο η κοινότητα εργάζεται από κοινού», δήλωσε η κοσμολόγος Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και ανώτερος ερευνητής στο Trinity College, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή την έρευνα. «Η βαθιά έρευνά τους δίνει όμορφα δεδομένα. Για μένα, είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι το HSC, όπως και οι άλλες ανεξάρτητες έρευνες αδύναμου φακού, δείχνουν μια χαμηλή τιμή για το S8 — Είναι σημαντική επικύρωση και συναρπαστικό το γεγονός ότι αυτές οι εντάσεις και οι τάσεις μας αναγκάζουν να σταματήσουμε και να σκεφτούμε τι μας λένε αυτά τα δεδομένα για το Σύμπαν μας!».

Το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο

Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας είναι «εκπληκτικά απλό» κατά κάποιο τρόπο, εξήγησε η Andrina Nicola από το Πανεπιστήμιο της Βόννης, η οποία συμβούλεψε τον Dalal για αυτό το έργο όταν ήταν μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Πρίνστον. Το μοντέλο υποστηρίζει ότι το σύμπαν αποτελείται μόνο από τέσσερα βασικά συστατικά: συνηθισμένη ύλη (άτομα, κυρίως υδρογόνο και ήλιο), σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια και φωτόνια. Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο, το σύμπαν διαστέλλεται από τη Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια: ξεκίνησε σχεδόν ομαλά, αλλά η έλξη της βαρύτητας στις ανεπαίσθητες διακυμάνσεις στο σύμπαν έχει προκαλέσει δομή — γαλαξίες περιτυλιγμένες σε συστάδες σκοτεινής ύλης — σχηματίζω. Στο σημερινό σύμπαν, οι σχετικές συνεισφορές της συνηθισμένης ύλης, της σκοτεινής ύλης, της σκοτεινής ενέργειας είναι περίπου 5%, 25% και 70%, συν μια μικροσκοπική συμβολή από φωτόνια. Το τυπικό μοντέλο ορίζεται μόνο από λίγους αριθμούς: ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος. ένα μέτρο του πόσο σβολιασμένη είναι η σκοτεινή ύλη (S8) τις σχετικές συνεισφορές των συστατικών του σύμπαντος (οι αριθμοί 5%, 25%, 70% παραπάνω). η συνολική πυκνότητα του σύμπαντος· και μια τεχνική ποσότητα που περιγράφει πώς η συστάδα του σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες σχετίζεται με αυτή σε μικρές κλίμακες. «Και αυτό είναι βασικά!» είπε ο Στράους. «Εμείς, η κοσμολογική κοινότητα, έχουμε συγκλίνει σε αυτό το μοντέλο, το οποίο ισχύει από τις αρχές της δεκαετίας του 2000». Οι κοσμολόγοι είναι πρόθυμοι να δοκιμάσουν αυτό το μοντέλο περιορίζοντας αυτούς τους αριθμούς με διάφορους τρόπους, όπως παρατηρώντας τις διακυμάνσεις στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (που στην ουσία είναι η εικόνα του μωρού του σύμπαντος, καταγράφοντας πώς φαινόταν μετά τα πρώτα 400,000 χρόνια), μοντελοποιώντας τη διαστολή ιστορία του σύμπαντος, μέτρηση της συσσωμάτωσης του σύμπαντος στο σχετικά πρόσφατο παρελθόν, και άλλα. «Επιβεβαιώνουμε μια αυξανόμενη αίσθηση στην κοινότητα ότι υπάρχει πραγματική ασυμφωνία μεταξύ της μέτρησης της συσσώρευσης στο πρώιμο σύμπαν (που μετρήθηκε από το CMB) και εκείνης από την εποχή των γαλαξιών, «μόνο» πριν από 9 δισεκατομμύρια χρόνια», είπε. Arun Kannawadi, συνεργάτης ερευνητής στο Πρίνστον που συμμετείχε στην ανάλυση.

Πέντε γραμμές επίθεσης

Το έργο του Dalal κάνει μια λεγόμενη ανάλυση του χώρου Fourier. μια παράλληλη ανάλυση πραγματικού χώρου ηγήθηκε από την Xiangchong Li του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, η οποία εργάστηκε σε στενή συνεργασία με τη Rachel Mandelbaum, η οποία ολοκλήρωσε τη φυσική της AB το 2000 και το διδακτορικό της. το 2006, και οι δύο από το Πρίνστον. Μια τρίτη ανάλυση, η λεγόμενη ανάλυση 3×2 σημείων, ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση μέτρησης του σήματος βαρυτικού φακού γύρω από μεμονωμένους γαλαξίες, για να βαθμονομήσει την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που σχετίζεται με κάθε γαλαξία. Αυτή η ανάλυση έγινε με επικεφαλής τον Sunao Sugiyama του Πανεπιστημίου του Τόκιο, τον Hironao Miyatake (πρώην μεταδιδακτορικό συνεργάτη του Princeton) του Πανεπιστημίου Nagoya και τον Surhud More του Διαπανεπιστημιακού Κέντρου Αστρονομίας και Αστροφυσικής στο Pune της Ινδίας. Αυτά τα πέντε σετ αναλύσεων χρησιμοποιούν το καθένα από τα δεδομένα HSC για να καταλήξουν στο ίδιο συμπέρασμα για το S8. Το να κάνουμε τόσο την ανάλυση του πραγματικού χώρου όσο και την ανάλυση του χώρου Fourier «ήταν ένα είδος ελέγχου λογικής», είπε ο Dalal. Αυτή και ο Λι συνεργάστηκαν στενά για να συντονίσουν τις αναλύσεις τους, χρησιμοποιώντας τυφλά δεδομένα. Οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ αυτών των δύο θα έλεγε ότι η μεθοδολογία των ερευνητών ήταν λάθος. «Θα μας έλεγε λιγότερα για την αστροφυσική και περισσότερα για το πώς θα μπορούσαμε να έχουμε μπερδέψει», είπε ο Dalal. «Δεν ξέραμε μέχρι την αποκάλυψη ότι δύο αποτελέσματα ήταν πανομοιότυπα», είπε. «Ένιωσα θαυματουργό». Ο Sunao πρόσθεσε: «Η ανάλυσή μας 3×2 σημείων συνδυάζει την ανάλυση αδύναμου φακού με τη συσσώρευση γαλαξιών. Μόνο μετά την αποτυφλοποίηση καταλάβαμε ότι τα αποτελέσματά μας ήταν σε πολύ καλή συμφωνία με αυτά των Roohi και Xiangchong. Το γεγονός ότι όλες αυτές οι αναλύσεις δίνουν την ίδια απάντηση μας δίνει σιγουριά ότι κάτι κάνουμε σωστά!».