Kuidas näha nähtamatut: tumeaine jaotuse kasutamine meie kosmoloogilise mudeli testimiseks

08. aprill 2023 (Nanowerki uudised) Tundub nagu klassikaline paradoks: kuidas sa näed nähtamatut? Kuid tänapäevaste astronoomide jaoks on see väga tõsine väljakutse: kuidas mõõta tumeainet, mis definitsiooni järgi valgust ei kiirga? Vastus: näete, kuidas see mõjutab asju, mida näete. Tumeaine puhul jälgivad astronoomid, kuidas kaugete galaktikate valgus selle ümber paindub. Rahvusvaheline astrofüüsikutest ja kosmoloogidest koosnev meeskond on viimase aasta veetnud selle raskesti tabatava materjali saladusi välja õrritades, kasutades keerulisi arvutisimulatsioone ja maailma ühe võimsaima astronoomilise kaamera Hyper Suprime-Cami (HSC) vaatlusi. Töörühma juhivad Princetoni ülikooli ning Jaapani ja Taiwani astronoomiliste kogukondade astronoomid, kes kasutavad HSC taevauuringu esimese kolme aasta andmeid. Maunakea Hawaiil. Subarut haldab Jaapani riiklik astronoomiaobservatoorium; selle nimi on jaapanikeelne sõna täheparve kohta, mida me kutsume Plejaadideks. Meeskond esitles oma tulemusi veebiseminaril, kus osales üle 8.2 inimese, ning nad jagavad oma tööd Jaapanis konverentsil „Future Science with CMB x LSS”.

[Varjatud sisu]

"Meie üldine eesmärk on mõõta mõningaid meie universumi kõige põhilisemaid omadusi," ütles Princetoni astrofüüsika kraadiõppur Roohi Dalal. "Me teame, et tumeenergia ja tumeaine moodustavad 95% meie universumist, kuid me mõistame väga vähe sellest, mis need tegelikult on ja kuidas nad on universumi ajaloo jooksul arenenud. Tumeaine tükid moonutavad kaugete galaktikate valgust nõrga gravitatsiooniläätse tõttu – nähtust ennustab Einsteini üldrelatiivsusteooria. See moonutus on tõesti väga väike efekt; üksiku galaktika kuju moondub märkamatult palju. Kuid kui teeme selle mõõtmise 25 miljoni galaktika jaoks, saame mõõta moonutusi üsna suure täpsusega. Otsejoonele hüppamiseks: meeskond on mõõtnud universumi tumeaine “klompsuse” väärtuse (kosmoloogidele tuntud kui “S8”) 0.776, mis ühtib väärtustega, mida teised gravitatsiooniläätsede uuringud on suhteliselt hiljutist universumit vaadeldes leidnud – kuid see ei ühti väärtusega 0.83, mis on tuletatud kosmilise mikrolaine taustast, mis pärineb universumi päritolust. Vahe nende kahe väärtuse vahel on väike, kuid kuna üha rohkem uuringuid kinnitab mõlemat väärtust, ei tundu see juhuslik. Teised võimalused on see, et ühes neist kahest mõõtmisest on veel tuvastamata viga või standardne kosmoloogiline mudel on mõnel huvitaval viisil puudulik. "Oleme siin ikka veel üsna ettevaatlikud," ütles Princetoni astrofüüsikateaduste osakonna juhataja ja üks HSC meeskonna juhtidest Michael Strauss. "Me ei väida, et oleme just avastanud, et kaasaegne kosmoloogia on kõik vale, sest nagu Roohi on rõhutanud, on meie mõõdetav mõju väga peen. Nüüd arvame, et oleme mõõtmise õigesti teinud. Ja statistika näitab, et on ainult üks 20-st võimalus, et see on lihtsalt juhuse tõttu, mis on veenev, kuid mitte täiesti lõplik. Kuid kuna me astronoomiaringkondades jõuame mitme katse käigus samale järeldusele ja jätkame neid mõõtmisi, võib-olla avastame, et see on tõeline. Seda täheparve, mida lääne astronoomid tunnevad Plejaadidena, tuntakse Jaapanis Subaru nime all ja see annab oma nime Hawaiil Maunakea tipus asuvale 8.2-meetrisele Subaru teleskoobile. Subarut haldab Jaapani riiklik astronoomiaobservatoorium. (Pilt: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomari observatoorium)

Andmete peitmine ja paljastamine

Mõte, et standardses kosmoloogilises mudelis on vaja mõningaid muudatusi, et kosmoloogiast on veel avastamata, on mõne teadlase jaoks hõrgult köitev. "Me oleme inimesed ja meil on eelistused. Seetõttu teeme seda, mida me nimetame "pimestatud" analüüsiks, " ütles Strauss. „Teadlased on saanud piisavalt eneseteadlikuks, et teada, et me kaldume ennast kallutama, olenemata sellest, kui ettevaatlikud me oleme, välja arvatud juhul, kui me teostame oma analüüsi, lubamata endal tulemusi lõpuni teada. Minu jaoks tahaksin tõesti leida midagi täiesti uut. See oleks tõeliselt põnev. Kuid kuna ma olen selles suunas eelarvamuslik, tahame olla väga ettevaatlikud, et see ei mõjutaks meie tehtud analüüsi. Et kaitsta oma tööd nende eelarvamuste eest, varjasid nad sõna otseses mõttes oma tulemusi enda ja kolleegide eest – kuust kuusse. "Töötasin selle analüüsi kallal aasta ja ei näinud väärtusi, mis välja tulid," ütles Dalal. Meeskond lisas isegi täiendava segava kihi: nad viisid oma analüüsid läbi kolme erineva galaktika kataloogiga, millest üks oli reaalne ja kaks numbrilised väärtused olid nihutatud juhuslike väärtustega. "Me ei teadnud, milline neist on tõeline, nii et isegi kui keegi kogemata väärtusi nägi, ei tea me, kas tulemused põhinesid tõelisel kataloogil või mitte," ütles ta. 16. veebruaril kogunes rahvusvaheline meeskond Zoomile – õhtul Princetonis, hommikul Jaapanis ja Taiwanis – „pimestamiseks”. "See tundus nagu tseremoonia, rituaal, mille me läbisime," ütles Strauss. „Avaldasime andmed ja käitasime oma maatükke ning nägime kohe, et see on suurepärane. Kõik ütlesid: "Oh, vau!" ja kõik olid väga rahul." Dalal ja tema toakaaslane avasid sel õhtul pudeli šampanjat.

Tohutu uuring maailma suurima teleskoopkaameraga

HSC on oma suurusega teleskoobi suurim kaamera maailmas – mantel, mida see hoiab, kuni praegu Tšiili Andides ehitatav Vera C. Rubini observatoorium alustab 2024. aasta lõpus ruumi ja aja päranduuringut (LSST). Tegelikult töödeldakse HSC algandmeid LSST jaoks loodud tarkvaraga. "On põnev näha, et meie tarkvara torujuhtmed suudavad nii suurte andmemahtudega hakkama saada palju enne LSST-d," ütles Princetoni kaasuurija Andrés Plazas. Uurimisrühma kasutatud uuring hõlmab umbes 420 ruutkraadi taevast, mis vastab umbes 2000 täiskuule. See ei ole üks külgnev taevatükk, vaid see on jagatud kuue erineva tüki vahel, millest igaüks on umbes nii suur, et saaksite katta väljasirutatud rusikaga. Nende uuritud 25 miljonit galaktikat on nii kaugel, et selle asemel, et neid galaktikaid praegu näha, registreeris HSC, kuidas nad olid miljardeid aastaid tagasi. Kõik need galaktikad hõõguvad kümnete miljardite päikeste tules, kuid kuna nad on nii kaugel, on nad äärmiselt nõrgad, koguni 25 miljonit korda tuhmimad kui kõige nõrgemad tähed, mida me palja silmaga näeme. "On äärmiselt põnev näha neid HSC koostöö tulemusi, eriti kuna need andmed on kõige lähedasemad sellele, mida me ootame Rubini observatooriumilt, mille nimel kogukond koos töötab," ütles kosmoloog Alexandra Amon, Cambridge'i ülikooli Kavli vanemteadur ja Trinity College'i vanemteadur, kes ei osalenud selles uuringus. "Nende põhjalik uuring annab ilusaid andmeid. Minu jaoks on intrigeeriv, et HSC, nagu ka teised sõltumatud nõrga objektiivi uuringud, osutavad S madalale väärtusele8 — see on oluline valideerimine ja põnev, et need pinged ja suundumused sunnivad meid peatuma ja mõtlema, mida need andmed meile meie universumi kohta räägivad!

Standardne kosmoloogiline mudel

Kosmoloogia standardmudel on mõnes mõttes "hämmastavalt lihtne", selgitas Andrina Nicola Bonni ülikoolist, kes nõustas Dalali selles projektis, kui ta oli Princetoni järeldoktorantuuris. Mudel eeldab, et universum koosneb ainult neljast põhikomponendist: tavaline aine (aatomid, enamasti vesinik ja heelium), tumeaine, tumeenergia ja footonid. Standardmudeli järgi on universum paisunud alates Suurest Paugust 13.8 miljardit aastat tagasi: see algas peaaegu täiesti sujuvalt, kuid gravitatsiooni tõmbejõud universumi peentele kõikumistele on põhjustanud struktuuri — tumeaine klompidesse ümbritsetud galaktikad —. moodustada. Tänapäeva universumis on tavalise aine, tumeaine ja tumeenergia suhteline osakaal umbes 5%, 25% ja 70%, millele lisandub väike footonite panus. Standardmudelit määratlevad vaid käputäis numbreid: universumi paisumiskiirus; tumeaine klompsuse mõõt (S8); universumi koostisosade suhteline panus (5%, 25%, 70% numbrid ülal); universumi üldine tihedus; ja tehniline suurus, mis kirjeldab, kuidas universumi klompsus suurtes mastaapides on seotud väikeses mastaabis olevaga. "Ja see on põhimõtteliselt kõik!" ütles Strauss. "Meie, kosmoloogiline kogukond, oleme lähenenud sellele mudelile, mis on kehtinud alates 2000. aastate algusest." Kosmoloogid soovivad seda mudelit testida, piirates neid numbreid mitmel viisil, näiteks jälgides kosmilise mikrolaine tausta kõikumisi (mis sisuliselt on universumi beebipilt, jäädvustades, kuidas see välja nägi pärast oma esimest 400,000 9 aastat), modelleerides paisumist. universumi ajalugu, universumi kohmakuse mõõtmine suhteliselt lähiminevikus ja teised. "Me kinnitame kogukonnas kasvavat arusaama, et varajases universumis (mõõdetuna CMB-st) ja galaktikate ajastul, "ainult" XNUMX miljardit aastat tagasi, on tõeline lahknevus," ütles ta. Arun Kannawadi, Princetoni kaasuurija, kes osales analüüsis.

Viis ründeliini

Dalali töö teeb nn Fourier-ruumi analüüsi; paralleelset reaalruumi analüüsi juhtis Xiangchong Li Carnegie Melloni ülikoolist, kes tegi tihedat koostööd Rachel Mandelbaumiga, kes lõpetas 2000. aastal füüsika AB ja doktorikraadi. aastal 2006, mõlemad Princetonist. Kolmas analüüs, niinimetatud 3 × 2-punktiline analüüs, kasutab gravitatsiooniliste läätsede signaali mõõtmisel üksikute galaktikate ümber erinevat lähenemisviisi, et kalibreerida iga galaktikaga seotud tumeaine kogust. Seda analüüsi juhtisid Sunao Sugiyama Tokyo ülikoolist, Hironao Miyatake (endine Princetoni järeldoktor) Nagoya ülikoolist ja Surhud More ülikoolidevahelisest astronoomia ja astrofüüsika keskusest Indias Punes. Need viis analüüsikomplekti kasutavad HSC andmeid, et jõuda S-i kohta samale järeldusele8. Nii reaalruumi analüüsi kui ka Fourier ruumi analüüsi tegemine "oli omamoodi mõistuse kontroll," ütles Dalal. Tema ja Li tegid pimedate andmete abil oma analüüside koordineerimiseks tihedat koostööd. Kõik lahknevused nende kahe vahel ütlevad, et teadlaste metoodika oli vale. "See räägiks meile vähem astrofüüsikast ja rohkem sellest, kuidas me võisime valesti minna," ütles Dalal. "Me ei teadnud enne pimestamist, et kaks tulemust on identsed," ütles ta. "See tundus imeline." Sunao lisas: "Meie 3 × 2-punktiline analüüs ühendab nõrga läätse analüüsi galaktikate klastritega. Alles pärast pimestamist saime teada, et meie tulemused olid ilusas kooskõlas Roohi ja Xiangchongi omadega. Asjaolu, et kõik need analüüsid annavad sama vastuse, annab meile kindlustunde, et teeme midagi õigesti!

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=62768.php