نحوه دیدن نامرئی: استفاده از توزیع ماده تاریک برای آزمایش مدل کیهانی ما

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

08 آوریل 2023 (اخبار نانوورک) شبیه یک پارادوکس کلاسیک است: نامرئی را چگونه می بینید؟ اما برای اخترشناسان مدرن، این یک چالش بسیار واقعی است: چگونه ماده تاریک را که طبق تعریف هیچ نوری ساطع نمی کند، اندازه گیری می کنید؟ پاسخ: می بینید که چگونه بر چیزهایی که می توانید ببینید تأثیر می گذارد. در مورد ماده تاریک، ستاره شناسان مشاهده می کنند که چگونه نور کهکشان های دور در اطراف آن خم می شود. یک تیم بین المللی از اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان سال گذشته را صرف کشف اسرار این ماده دست نیافتنی، با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری پیچیده و مشاهدات یکی از قدرتمندترین دوربین های نجومی در جهان، Hyper Suprime-Cam (HSC) کرده اند. این تیم توسط ستاره شناسانی از دانشگاه پرینستون و جوامع نجومی ژاپن و تایوان، با استفاده از داده های سه سال اول بررسی آسمان HSC، یک بررسی تصویربرداری میدان وسیع که با تلسکوپ 8.2 متری سوبارو در قله انجام شد، هدایت می شود. Maunakea در هاوایی. سوبارو توسط رصدخانه ملی نجوم ژاپن اداره می شود. نام آن کلمه ژاپنی برای خوشه ستارگانی است که ما آن را Pleiades می نامیم. این تیم یافته های خود را در یک وبینار با حضور بیش از 200 نفر ارائه کردند و آنها کار خود را در کنفرانس "علم آینده با CMB x LSS" در ژاپن به اشتراک خواهند گذاشت.

[محتوای جاسازی شده]

روحی دلال، دانشجوی کارشناسی ارشد اخترفیزیک در پرینستون گفت: «هدف کلی ما اندازه‌گیری برخی از اساسی‌ترین ویژگی‌های جهانمان است. ما می‌دانیم که انرژی تاریک و ماده تاریک 95 درصد از جهان ما را تشکیل می‌دهند، اما در مورد اینکه واقعاً چه هستند و چگونه در طول تاریخ جهان تکامل یافته‌اند، اطلاعات کمی داریم. توده‌های ماده تاریک نور کهکشان‌های دور را از طریق عدسی‌های گرانشی ضعیف منحرف می‌کنند، پدیده‌ای که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده است. این تحریف یک اثر واقعاً بسیار کوچک است. شکل یک کهکشان منفرد به مقدار نامحسوسی منحرف شده است. اما وقتی این اندازه گیری را برای 25 میلیون کهکشان انجام می دهیم، می توانیم اعوجاج را با دقت بسیار بالایی اندازه گیری کنیم. برای پرش به خط منگنه: این تیم مقداری را برای "کلوگی" ماده تاریک جهان (که برای کیهان شناسان به عنوان "S شناخته می شود" اندازه گیری کرده است.8”) از 0.776، که با مقادیری که سایر بررسی‌های عدسی گرانشی در نگاه کردن به جهان نسبتاً اخیر یافته‌اند همسو می‌شود - اما با مقدار 0.83 مشتق شده از پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، که به منشأ جهان بازمی‌گردد، همسو نیست. فاصله بین این دو مقدار کم است، اما از آنجایی که مطالعات بیشتر و بیشتر هر یک از این دو مقدار را تایید می‌کنند، به نظر تصادفی نیست. احتمالات دیگر این است که در یکی از این دو اندازه گیری خطا یا اشتباهی هنوز شناسایی نشده باشد یا مدل استاندارد کیهان شناسی به روشی جالب ناقص باشد. مایکل اشتراوس، رئیس دپارتمان علوم اخترفیزیک پرینستون و یکی از رهبران تیم HSC گفت: «ما هنوز در اینجا نسبتا محتاط هستیم. ما نمی‌گوییم که تازه کشف کرده‌ایم که کیهان‌شناسی مدرن اشتباه است، زیرا همانطور که روحی تأکید کرده است، تأثیری که ما اندازه‌گیری می‌کنیم بسیار ظریف است. اکنون، ما فکر می کنیم که اندازه گیری را درست انجام داده ایم. و آمار نشان می دهد که تنها یک در 20 احتمال وجود دارد که فقط به دلیل شانس باشد، که قانع کننده است اما کاملاً قطعی نیست. اما از آنجایی که ما در جامعه نجوم از آزمایش‌های متعدد به یک نتیجه می‌رسیم، در حالی که به انجام این اندازه‌گیری‌ها ادامه می‌دهیم، شاید متوجه می‌شویم که واقعی است. پیاده ها

این خوشه ستاره‌ای که برای ستاره‌شناسان غربی به Pleiades معروف است، در ژاپن به عنوان سوبارو شناخته می‌شود و نام خود را به تلسکوپ 8.2 متری سوبارو در قله Maunakea در هاوایی می‌دهد. سوبارو توسط رصدخانه ملی نجوم ژاپن اداره می شود. (تصویر: ناسا، ESA، AURA/Caltech، رصدخانه پالومار)

مخفی کردن و کشف داده ها

این ایده که نیاز به تغییراتی در مدل استاندارد کیهان‌شناسی است، اینکه بخش‌های بنیادی کیهان‌شناسی هنوز کشف نشده است، برای برخی از دانشمندان بسیار جذاب است. ما انسان هستیم و ترجیحاتی داریم. به همین دلیل است که ما آنچه را تحلیل کور می نامیم انجام می دهیم. "دانشمندان به اندازه کافی خودآگاه شده اند که بدانند ما خودمان را سوگیری خواهیم کرد، مهم نیست چقدر مراقب باشیم، مگر اینکه تجزیه و تحلیل خود را انجام دهیم بدون اینکه به خود اجازه دهیم نتایج را تا آخر بدانیم. برای من، من دوست دارم واقعاً چیزی اساساً جدید پیدا کنم. این واقعاً هیجان انگیز خواهد بود. اما از آنجایی که من در این راستا تعصب دارم، می‌خواهیم بسیار مراقب باشیم که اجازه ندهیم آن تحلیلی را که انجام می‌دهیم تحت تأثیر قرار دهد.» برای محافظت از کار خود در برابر تعصبات خود، آنها به معنای واقعی کلمه نتایج خود را از خود و همکارانشان پنهان کردند - ماه به ماه. دلال گفت: «من یک سال روی این تحلیل کار کردم و نتوانستم ارزش‌هایی را که در حال بیرون آمدن بودند ببینم. این تیم حتی یک لایه مبهم اضافی اضافه کرد: آنها تجزیه و تحلیل های خود را بر روی سه کاتالوگ کهکشانی مختلف، یکی واقعی و دو با مقادیر عددی که با مقادیر تصادفی جایگزین شده بودند، انجام دادند. او گفت: «ما نمی‌دانستیم کدام یک از آنها واقعی است، بنابراین حتی اگر کسی به طور تصادفی مقادیر را ببیند، نمی‌دانیم که آیا نتایج بر اساس کاتالوگ واقعی است یا نه. در 16 فوریه، تیم بین‌المللی در زوم گرد هم آمدند - در شب در پرینستون، صبح در ژاپن و تایوان - برای "نابینایی". اشتراوس می‌گوید: «احساس یک مراسم، یک آیین بود که از آن گذشتیم. ما از داده ها پرده برداری کردیم و نقشه های خود را اجرا کردیم، بلافاصله دیدیم که عالی است. همه رفتند، "اوه، وای!" و همه بسیار خوشحال بودند.» دلال و هم اتاقی اش آن شب یک بطری شامپاین ریختند.

یک نظرسنجی عظیم با بزرگترین دوربین تلسکوپ جهان

HSC بزرگترین دوربین روی یک تلسکوپ در اندازه خود در جهان است، گوشته ای که تا زمانی که رصدخانه Vera C. Rubin در حال ساخت در آند شیلی در دست ساخت است و در اواخر سال 2024 بررسی میراث فضا و زمان (LSST) را آغاز کند، نگه خواهد داشت. در واقع، داده های خام از HSC با نرم افزار طراحی شده برای LSST پردازش می شود. آندرس پلازاس، محقق پژوهشی در پرینستون، گفت: «این جالب است که ببینیم خطوط لوله نرم‌افزار ما می‌توانند چنین مقادیر زیادی از داده‌ها را به خوبی پیش از LSST مدیریت کنند. پیمایشی که تیم تحقیقاتی از آن استفاده کردند، حدود 420 درجه مربع از آسمان را پوشش می‌دهد که معادل 2000 ماه کامل است. این یک تکه به هم پیوسته از آسمان نیست، بلکه بین شش قطعه مختلف تقسیم شده است، هر کدام به اندازه‌ای است که می‌توانید با یک مشت دراز آن را بپوشانید. 25 میلیون کهکشان مورد بررسی آنها به قدری دور هستند که HSC به جای اینکه این کهکشان ها را مانند امروز ببیند، وضعیت آنها را در میلیاردها سال پیش ثبت کرد. هر یک از این کهکشان ها با آتش ده ها میلیارد خورشید می درخشند، اما از آنجایی که آنها بسیار دور هستند، بسیار کم نور هستند، به اندازه 25 میلیون بار کم نورتر از کم نورترین ستاره هایی که می توانیم با چشم غیر مسلح ببینیم. الکساندرا آمون، کیهان شناس، محقق ارشد کاولی در دانشگاه کمبریج و یک کیهان شناس، گفت: دیدن این نتایج حاصل از همکاری HSC بسیار هیجان انگیز است، به خصوص که این داده ها به آنچه که ما از رصدخانه روبین انتظار داریم، نزدیک است، که جامعه با هم در حال تلاش برای رسیدن به آن است. محقق ارشد در کالج ترینیتی که در این تحقیق شرکت نداشت. "بررسی عمیق آنها داده های زیبایی را به دست می دهد. برای من، جالب است که HSC، مانند سایر بررسی‌های عدسی ضعیف مستقل، به مقدار کم برای S اشاره می‌کند.8 - تأیید مهم و هیجان‌انگیز است که این تنش‌ها و روندها ما را مجبور می‌کنند مکث کنیم و درباره آنچه که آن داده‌ها درباره جهان ما به ما می‌گویند فکر کنیم!»

مدل استاندارد کیهان شناسی

آندرینا نیکولا از دانشگاه بن، که زمانی که دالال یک محقق فوق دکترا در پرینستون بود، در مورد این پروژه توضیح داد که مدل استاندارد کیهان‌شناسی از جهاتی «به‌طور شگفت‌انگیز ساده» است. این مدل معتقد است که جهان تنها از چهار جزء اصلی تشکیل شده است: ماده معمولی (اتم ها، عمدتاً هیدروژن و هلیوم)، ماده تاریک، انرژی تاریک و فوتون. طبق مدل استاندارد، جهان از زمان انفجار بزرگ 13.8 میلیارد سال پیش در حال انبساط بوده است: تقریباً کاملاً صاف شروع شد، اما کشش گرانش در نوسانات ظریف در جهان باعث ساختار - کهکشان‌هایی که در توده‌های ماده تاریک احاطه شده‌اند - شده است. شکل دادن. در جهان امروزی، سهم نسبی ماده معمولی، ماده تاریک، انرژی تاریک حدود 5٪، 25٪ و 70٪ است، به علاوه سهم کوچکی از فوتون ها. مدل استاندارد تنها با تعداد انگشت شماری از اعداد تعریف می شود: نرخ انبساط جهان. معیاری برای میزان توده ای بودن ماده تاریک (S8) سهم نسبی اجزای تشکیل دهنده جهان (اعداد 5، 25، 70 درصد بالا)؛ چگالی کلی کیهان؛ و یک کمیت فنی که توصیف می کند که چگونه کلوخه بودن جهان در مقیاس های بزرگ با مقیاس های کوچک مرتبط است. "و اساساً همین است!" اشتراوس گفت. ما، جامعه کیهان‌شناسی، بر روی این مدل که از اوایل دهه 2000 وجود داشته است، همگرایی کرده‌ایم. کیهان شناسان مشتاقند این مدل را با محدود کردن این اعداد به طرق مختلف آزمایش کنند، مانند مشاهده نوسانات در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (که در اصل تصویر کودک کیهان است، ثبت چگونگی ظاهر آن پس از 400,000 سال اول)، مدل‌سازی انبساط. تاریخچه کیهان، اندازه گیری کلوخه بودن جهان در گذشته نسبتاً نزدیک، و موارد دیگر. گفت: "ما در حال تایید این حس رو به رشد در جامعه هستیم که یک اختلاف واقعی بین اندازه گیری کلوخه شدن در کیهان اولیه (اندازه گیری شده از CMB) و دوره کهکشان ها، "فقط" 9 میلیارد سال پیش وجود دارد." آرون کنوادی، محقق پژوهشی در پرینستون که در تحلیل شرکت داشت.

پنج خط حمله

کار دلال به اصطلاح تحلیل فضای فوریه را انجام می دهد. یک تحلیل موازی فضای واقعی توسط Xiangchong Li از دانشگاه کارنگی ملون، که با همکاری نزدیک با ریچل ماندلبام، که فیزیک AB خود را در سال 2000 و دکترای خود را به پایان رساند، کار کرد. در سال 2006، هر دو از پرینستون. تجزیه و تحلیل سوم، به اصطلاح آنالیز 3×2 نقطه ای، رویکرد متفاوتی را برای اندازه گیری سیگنال عدسی گرانشی در اطراف کهکشان های مجزا اتخاذ می کند تا میزان ماده تاریک مرتبط با هر کهکشان را کالیبره کند. این تحلیل توسط سونائو سوگیاما از دانشگاه توکیو، هیرونائو میاتاکه (همکار سابق فوق دکترای پرینستون) از دانشگاه ناگویا و سورهود مور از مرکز بین دانشگاهی نجوم و اخترفیزیک در پونا، هند هدایت شد. این پنج مجموعه تجزیه و تحلیل، هر کدام از داده های HSC برای رسیدن به نتیجه یکسانی در مورد S استفاده می کنند8. دلال گفت که انجام هر دو تحلیل فضای واقعی و تحلیل فضای فوریه «نوعی بررسی سلامت عقل بود». او و لی با استفاده از داده‌های کور، برای هماهنگ کردن تحلیل‌های خود از نزدیک کار کردند. هر گونه اختلاف بین این دو نشان می دهد که روش شناسی محققان اشتباه بوده است. دلال گفت: «این به ما کمتر در مورد اخترفیزیک می گوید و بیشتر در مورد اینکه چگونه ممکن است خراب شده باشیم. او گفت: «ما تا زمانی که کور نشدیم نمی‌دانستیم که دو نتیجه کاملاً یکسان هستند. "احساس معجزه آسایی بود." سونائو افزود: «تحلیل 3×2 نقطه‌ای ما، تحلیل عدسی ضعیف را با خوشه‌بندی کهکشان‌ها ترکیب می‌کند. تنها پس از کور کردن، متوجه شدیم که نتایج ما با نتایج روحی و شیانگ‌چونگ مطابقت دارد. این واقعیت که همه این تحلیل‌ها پاسخ یکسانی می‌دهند، به ما اطمینان می‌دهد که کار را درست انجام می‌دهیم!»