Kuinka nähdä näkymätön: Pimeän aineen jakauman käyttäminen kosmologisen mallimme testaamiseen

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

08. huhtikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Se tuntuu klassiselta paradoksilta: Millaisena näet näkymätön? Mutta nykyaikaisille tähtitieteilijöille se on todellinen haaste: Miten mitataan pimeää ainetta, joka määritelmän mukaan ei säteile valoa? Vastaus: Näet, kuinka se vaikuttaa asioihin, jotka voit nähdä. Pimeän aineen tapauksessa tähtitieteilijät tarkkailevat, kuinka kaukaisista galakseista tuleva valo taipuu sen ympärille. Kansainvälinen ryhmä astrofyysikoita ja kosmologeja on viettänyt kuluneen vuoden kiusaakseen tämän vaikeasti pidetyn materiaalin salaisuuksia käyttämällä kehittyneitä tietokonesimulaatioita ja yhden maailman tehokkaimmista tähtitieteellisistä kameroista, Hyper Suprime-Camin (HSC) saatuja havaintoja. Ryhmää johtavat Princetonin yliopiston sekä Japanin ja Taiwanin tähtitieteellisten yhteisöjen tähtitieteilijät, jotka käyttävät HSC-taivastutkimuksen kolmen ensimmäisen vuoden tietoja. Tämä laajakuvaustutkimus tehtiin 8.2-metrisellä Subaru-teleskoopilla. Maunakea Havaijilla. Subarua operoi Japanin kansallinen tähtitieteellinen observatorio; sen nimi on japaninkielinen sana tähtijoukolle, jota kutsumme Plejadeiksi. Ryhmä esitteli havaintojaan webinaarissa, johon osallistui yli 200 ihmistä, ja he jakavat työnsä "Future Science with CMB x LSS" -konferenssissa Japanissa.

[Upotetun sisällön]

"Yleinen tavoitteemme on mitata joitain universumimme tärkeimmistä ominaisuuksista", sanoi Princetonin astrofysiikan jatko-opiskelija Roohi Dalal. "Tiedämme, että pimeä energia ja pimeä aine muodostavat 95 % maailmankaikkeudesta, mutta ymmärrämme hyvin vähän siitä, mitä ne todellisuudessa ovat ja miten ne ovat kehittyneet universumin historian aikana. Pimeän aineen möykky vääristää kaukaisten galaksien valoa heikon gravitaatiolinssin ansiosta, ilmiön ennustaa Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria. Tämä vääristymä on todella, todella pieni vaikutus; yksittäisen galaksin muoto on vääristynyt huomaamattomasti. Mutta kun teemme tämän mittauksen 25 miljoonalle galaksille, pystymme mittaamaan vääristymän melko suurella tarkkuudella. Hyppäys kärkeen: Tiimi on mitannut arvon universumin pimeän aineen "paakkuudelle" (kosmologit tunnetaan nimellä "S"8”) 0.776, mikä vastaa arvoja, jotka muut gravitaatiolinssitutkimukset ovat löytäneet tarkasteltaessa suhteellisen äskettäistä maailmankaikkeutta – mutta se ei vastaa arvoa 0.83, joka on johdettu kosmisesta mikroaaltotaustasta, joka juontaa juurensa maailmankaikkeuden alkuperästä. Ero näiden kahden arvon välillä on pieni, mutta koska yhä useammat tutkimukset vahvistavat molemmat arvot, se ei näytä olevan sattumaa. Muut mahdollisuudet ovat, että toisessa näistä kahdesta mittauksesta on jokin vielä tunnistamaton virhe tai virhe tai standardi kosmologinen malli on jollakin mielenkiintoisella tavalla epätäydellinen. "Olemme täällä edelleen melko varovaisia", sanoi Michael Strauss, Princetonin astrofysikaalisten tieteiden osaston puheenjohtaja ja yksi HSC-tiimin johtajista. ”Emme väitä, että olisimme juuri havainneet, että moderni kosmologia on kaikki väärin, koska, kuten Roohi on korostanut, mittaamamme vaikutus on erittäin hienovarainen. Nyt mielestämme teimme mittauksen oikein. Ja tilastot osoittavat, että on vain yksi 20:stä mahdollisuus, että se johtuu vain sattumasta, mikä on vakuuttavaa, mutta ei täysin lopullista. Mutta kun me tähtitieteen yhteisössä tulemme samaan johtopäätökseen useissa kokeissa ja jatkamme näiden mittausten tekemistä, ehkä huomaamme, että se on totta. Seulaset

Tämä tähtijoukko, joka länsimaisille tähtitieteilijöille tunnetaan nimellä Plejadit, tunnetaan Japanissa nimellä Subaru, ja se antaa nimensä 8.2-metriselle Subaru-teleskoopille Maunakean huipulla Havaijilla. Subarua operoi Japanin kansallinen tähtitieteellinen observatorio. (Kuva: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomarin observatorio)

Tietojen piilottaminen ja paljastaminen

Ajatus siitä, että standardissa kosmologisessa mallissa tarvitaan jonkin verran muutosta, että jokin kosmologian perustavanlaatuinen osa on vielä löytämättä, on herkullisen houkutteleva joillekin tiedemiehille. "Olemme ihmisiä, ja meillä on mieltymyksiä. Siksi teemme niin sanottua "sokeutettua" analyysiä", Strauss sanoi. "Tutkijat ovat tulleet tarpeeksi itsetietoisiksi tietääkseen, että me vääristelemme itseämme riippumatta siitä, kuinka varovaisia olemme, ellemme tee analyysiämme antamatta itsemme tietää tuloksia loppuun asti. Itselleni haluaisin todella löytää jotain täysin uutta. Se olisi todella jännittävää. Mutta koska olen ennakkoluuloinen tähän suuntaan, haluamme olla erittäin varovaisia, emme anna sen vaikuttaa tekemiimme analyyseihin." Suojellakseen työtään ennakkoluuloilta he kirjaimellisesti piilottivat tulokset itseltään ja kollegoiltaan – kuukausi toisensa jälkeen. "Työskentelin tämän analyysin parissa vuoden, enkä saanut nähdä arvoja, jotka tulivat esiin", Dalal sanoi. Ryhmä jopa lisäsi ylimääräisen hämmentävän kerroksen: he suorittivat analyysinsä kolmella eri galaksiluettelolla, joista yksi on todellinen ja kahdessa numeroarvot korvattu satunnaisilla arvoilla. "Emme tienneet, mikä niistä oli todellinen, joten vaikka joku vahingossa näkisi arvot, emme tietäisi, perustuivatko tulokset todelliseen luetteloon vai eivät", hän sanoi. Helmikuun 16. päivänä kansainvälinen tiimi kokoontui Zoomiin – illalla Princetoniin, aamulla Japaniin ja Taiwaniin – "sokeuttamiseen". "Se tuntui seremonialta, rituaalilta, jonka kävimme läpi", Strauss sanoi. ”Paljasimme tiedot ja suoritimme suunnitelmamme, ja huomasimme heti, että se oli hienoa. Kaikki sanoivat: "Voi, vau!" ja kaikki olivat erittäin onnellisia." Dalal ja hänen kämppätoverinsa pomppasivat pullon samppanjaa sinä iltana.

Valtava tutkimus maailman suurimmalla teleskooppikameralla

HSC on kokonsa suurin kamera kaukoputkessa maailmassa, vaippa, joka kestää, kunnes Chilen Andeilla parhaillaan rakenteilla oleva Vera C. Rubin -observatorio aloittaa Legacy Survey of Space and Time (LSST) -tutkimuksen vuoden 2024 lopulla. Itse asiassa HSC:n raakadata käsitellään LSST:lle suunnitellulla ohjelmistolla. "On kiehtovaa nähdä, että ohjelmistomme pystyvät käsittelemään niin suuria tietomääriä paljon ennen LSST:tä", sanoi Andrés Plazas, apulaistutkija Princetonista. Tutkimusryhmän käyttämä kysely kattaa taivaan noin 420 neliöastetta, mikä vastaa noin 2000 täysikuuta. Se ei ole yksittäinen vierekkäinen taivaanpala, vaan se on jaettu kuuteen eri osaan, joista jokainen on suunnilleen sen kokoinen, että voit peittää nyrkin ojennetulla. Heidän tutkimansa 25 miljoonaa galaksia ovat niin kaukana, että sen sijaan, että HSC olisi näkenyt nämä galaksit sellaisina kuin ne ovat nykyään, HSC kirjasi, miltä ne olivat miljardeja vuosia sitten. Jokainen näistä galakseista hehkuu kymmenien miljardien aurinkojen tulessa, mutta koska ne ovat niin kaukana, ne ovat erittäin himmeitä, jopa 25 miljoonaa kertaa himmeämpiä kuin paljaalla silmällä näkemämme tähdet. "On erittäin jännittävää nähdä nämä tulokset HSC-yhteistyöstä, varsinkin kun nämä tiedot ovat lähinnä sitä, mitä odotamme Rubinin observatoriolta, jonka eteen yhteisö työskentelee yhdessä", sanoi kosmologi Alexandra Amon, vanhempi Kavli Fellow Cambridgen yliopistosta ja vanhempi tutkija Trinity Collegessa, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa. "Heidän syvällinen kyselynsä tekee kauniista datasta. Minusta on kiehtovaa, että HSC, kuten muutkin riippumattomat heikkoja linssitutkimukset osoittavat S:n alhaisen arvon8 – On tärkeää validointia ja jännittävää, että nämä jännitteet ja trendit pakottavat meidät pysähtymään ja miettimään, mitä data kertoo meille universumistamme!

Tavallinen kosmologinen malli

Kosmologian standardimalli on jollain tapaa "hämmästyttävän yksinkertainen", sanoi Andrina Nicola Bonnin yliopistosta, joka neuvoi Dalalia tässä projektissa, kun hän oli tohtoritutkijana Princetonissa. Mallin mukaan maailmankaikkeus koostuu vain neljästä perusaineesta: tavallisesta aineesta (atomit, enimmäkseen vety ja helium), pimeä aine, pimeä energia ja fotonit. Vakiomallin mukaan universumi on laajentunut 13.8 miljardia vuotta sitten tapahtuneesta alkuräjähdyksestä lähtien: se alkoi lähes täydellisen tasaisesti, mutta painovoiman vetovoima maailmankaikkeuden hienovaraisiin vaihteluihin on aiheuttanut rakenteen - pimeän aineen kimppujen ympäröimiä galakseja - muodostamaan. Nykymaailmassa tavallisen aineen, pimeän aineen ja pimeän energian suhteellinen osuus on noin 5 %, 25 % ja 70 % sekä pieni fotonien osuus. Vakiomalli määritellään vain muutamalla numerolla: maailmankaikkeuden laajenemisnopeus; mitta siitä, kuinka paakku pimeä aine on (S8); universumin ainesosien suhteellinen osuus (yllä olevat 5 %, 25 %, 70 % luvut); maailmankaikkeuden kokonaistiheys; ja tekninen suure, joka kuvaa kuinka suuren mittakaavan maailmankaikkeuden paakkuisuus liittyy pieniin mittakaaviin. "Ja siinä se periaatteessa!" Strauss sanoi. "Me, kosmologinen yhteisö, olemme lähentyneet tähän malliin, joka on ollut käytössä 2000-luvun alusta." Kosmologit ovat innokkaita testaamaan tätä mallia rajoittamalla näitä lukuja eri tavoilla, kuten tarkkailemalla kosmisen mikroaallon taustan vaihteluja (joka pohjimmiltaan on maailmankaikkeuden vauvakuva, vangitsemalla, miltä se näytti ensimmäisten 400,000 9 vuoden jälkeen), mallintamalla laajenemista. maailmankaikkeuden historia, mittaamalla maailmankaikkeuden kokkautta suhteellisen lähimenneisyydessä ja muita. "Vahvistamme yhteisössä kasvavaa käsitystä siitä, että varhaisen universumin paakkuuntumisen mittausten välillä (mitattuna CMB:stä) ja galaksien aikakaudella, "vain" XNUMX miljardia vuotta sitten, on todellinen ero", sanoi sanoi. Arun Kannawadi, Princetonin apulaistutkija, joka oli mukana analyysissä.

Viisi hyökkäyslinjaa

Dalalin työ tekee ns. Fourier-avaruusanalyysin; rinnakkaista reaaliavaruuden analyysiä johti Xiangchong Li Carnegie Mellon -yliopistosta, joka työskenteli tiiviissä yhteistyössä Rachel Mandelbaumin kanssa, joka valmistui fysiikan AB:sta vuonna 2000 ja hänen tohtorinsa. vuonna 2006, molemmat Princetonista. Kolmas analyysi, niin kutsuttu 3 × 2-pisteanalyysi, käyttää erilaista lähestymistapaa gravitaatiolinssisignaalin mittaamiseen yksittäisten galaksien ympärillä kunkin galaksiin liittyvän pimeän aineen määrän kalibroimiseksi. Tätä analyysiä johtivat Sunao Sugiyama Tokion yliopistosta, Hironao Miyatake (entinen Princetonin tutkijatohtori) Nagoyan yliopistosta ja Surhud More yliopistojen välisestä tähtitieteen ja astrofysiikan keskuksesta Punessa, Intiassa. Nämä viisi analyysisarjaa käyttävät kumpikin HSC-tietoja päästäkseen samaan johtopäätökseen S:stä8. Sekä todellisen avaruuden analyysin että Fourier-avaruuden analyysin tekeminen "oli eräänlainen mielenterveyden tarkistus", Dalal sanoi. Hän ja Li työskentelivät tiiviisti koordinoidakseen analyysejaan käyttämällä sokeaa dataa. Kaikki erot näiden kahden välillä tarkoittaisivat, että tutkijoiden metodologia oli väärä. "Se kertoisi meille vähemmän astrofysiikasta ja enemmän siitä, kuinka olisimme saaneet mennä sekaisin", Dalal sanoi. "Emme tienneet ennen sokaisua, että kaksi tulosta olivat täysin identtisiä", hän sanoi. "Se tuntui ihmeelliseltä." Sunao lisäsi: "3×2-pisteanalyysimme yhdistää heikon linssin analyysin galaksien ryhmittymiseen. Vasta sokeuden avaamisen jälkeen tiesimme, että tuloksemme olivat kauniisti yhtäpitäviä Roohin ja Xiangchongin tulosten kanssa. Se, että kaikki nämä analyysit antavat saman vastauksen, antaa meille luottamusta siihen, että teemme jotain oikein!”