अदृश्य को कैसे देखें: हमारे ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल का परीक्षण करने के लिए डार्क मैटर वितरण का उपयोग करना

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अप्रैल 08, 2023 (नानावरक न्यूज़) It feels like a classical paradox: How do you see the invisible? But for modern astronomers, it is a very real challenge: How do you measure dark matter, which by definition emits no light? The answer: You see how it impacts things that you can see. In the case of dark matter, astronomers watch how light from distant galaxies bends around it. An international team of astrophysicists and cosmologists have spent the past year teasing out the secrets of this elusive material, using sophisticated computer simulations and the observations from the one of the most powerful astronomical cameras in the world, the Hyper Suprime-Cam (HSC). The team is led by astronomers from Princeton University and the astronomical communities of Japan and Taiwan, using data from the first three years of the HSC sky survey, a wide-field imaging survey carried out with the 8.2-meter Subaru telescope on the summit of Maunakea in Hawai’i. Subaru is operated by the National Astronomical Observatory of Japan; its name is the Japanese word for the cluster of stars we call the Pleiades. The team presented their findings at a webinar attended by more than 200 people, and they will share their work at the “Future Science with CMB x LSS” conference in Japan.

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प्रिंसटन में खगोल भौतिकी में स्नातक छात्र रूही दलाल ने कहा, "हमारा समग्र लक्ष्य हमारे ब्रह्मांड के कुछ सबसे मौलिक गुणों को मापना है।" “हम जानते हैं कि डार्क एनर्जी और डार्क मैटर हमारे ब्रह्मांड का 95% हिस्सा बनाते हैं, लेकिन हम इस बारे में बहुत कम समझते हैं कि वे वास्तव में क्या हैं और ब्रह्मांड के इतिहास में वे कैसे विकसित हुए हैं। काले पदार्थ के गुच्छे कमजोर गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के माध्यम से दूर की आकाशगंगाओं के प्रकाश को विकृत करते हैं, एक ऐसी घटना जिसकी भविष्यवाणी आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत द्वारा की गई थी। यह विकृति वास्तव में बहुत छोटा प्रभाव है; एकल आकाशगंगा का आकार एक अगोचर राशि से विकृत हो गया है। लेकिन जब हम 25 मिलियन आकाशगंगाओं के लिए वह माप करते हैं, तो हम विरूपण को काफी उच्च सटीकता के साथ मापने में सक्षम होते हैं। पंचलाइन पर जाने के लिए: टीम ने ब्रह्मांड के डार्क मैटर (ब्रह्मांड विज्ञानियों द्वारा "एस" के रूप में जाना जाता है) की "अकड़न" के लिए एक मूल्य मापा है8”) 0.776 का, जो उन मूल्यों के साथ संरेखित है जो अन्य गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग सर्वेक्षणों ने अपेक्षाकृत हाल के ब्रह्मांड को देखने में पाया है - लेकिन यह कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड से प्राप्त 0.83 के मूल्य के साथ संरेखित नहीं है, जो ब्रह्मांड की उत्पत्ति के समय का है। इन दोनों मूल्यों के बीच का अंतर छोटा है, लेकिन जैसे-जैसे अधिक से अधिक अध्ययन दोनों मूल्यों में से प्रत्येक की पुष्टि करते हैं, यह आकस्मिक प्रतीत नहीं होता है। अन्य संभावनाएं यह हैं कि इन दो मापों में से किसी एक में अभी तक अज्ञात त्रुटि या गलती है या मानक ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल कुछ दिलचस्प तरीके से अधूरा है। प्रिंसटन के खगोल भौतिकी विज्ञान विभाग के अध्यक्ष और एचएससी टीम के नेताओं में से एक माइकल स्ट्रॉस ने कहा, "हम यहां अभी भी काफी सतर्क हैं।" “हम यह नहीं कह रहे हैं कि हमने अभी-अभी पता लगाया है कि आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान पूरी तरह से गलत है, क्योंकि, जैसा कि रूही ने जोर दिया है, हम जो प्रभाव माप रहे हैं वह बहुत सूक्ष्म है। अब, हमें लगता है कि हमने माप सही किया है। और आंकड़े बताते हैं कि 20 में से केवल एक ही मौका है कि यह सिर्फ संयोग के कारण है, जो सम्मोहक है लेकिन पूरी तरह से निश्चित नहीं है। लेकिन जैसे-जैसे हम खगोल विज्ञान समुदाय में कई प्रयोगों के बाद एक ही निष्कर्ष पर पहुंचते हैं, जैसे-जैसे हम ये माप करते रहते हैं, शायद हम पाते हैं कि यह वास्तविक है। प्लीएडेस

पश्चिमी खगोलविदों के लिए प्लीएड्स के नाम से जाने जाने वाले तारों के इस समूह को जापान में सुबारू के नाम से जाना जाता है और इसका नाम हवाई में मौनाकिया के शिखर पर स्थित 8.2-मीटर सुबारू दूरबीन को दिया गया है। सुबारू का संचालन जापान की राष्ट्रीय खगोलीय वेधशाला द्वारा किया जाता है। (छवि: NASA, ESA, AURA/Caltech, पालोमर वेधशाला)

डेटा को छुपाना और उजागर करना

The idea that some change is needed in the standard cosmological model, that there is some fundamental piece of cosmology yet to be discovered, is a deliciously enticing one for some scientists. “We are human beings, and we do have preferences. That’s why we do what we call a ‘blinded’ analysis,” Strauss said. “Scientists have become self-aware enough to know that we will bias ourselves, no matter how careful we are, unless we carry out our analysis without allowing ourselves to know the results until the end. For me, I would love to really find something fundamentally new. That would be truly exciting. But because I am prejudiced in that direction, we want to be very careful not to let that influence any analysis that we do.” To protect their work from their biases, they quite literally hid their results from themselves and their colleagues — month after month after month. “I worked on this analysis for a year and didn’t get to see the values that were coming out,” said Dalal. The team even added an extra obfuscating layer: they ran their analyses on three different galaxy catalogs, one real and two with numerical values offset by random values. “We didn’t know which of them was real, so even if someone did accidentally see the values, we wouldn’t know if the results were based on the real catalog or not,” she said. On February 16, the international team gathered together on Zoom — in the evening in Princeton, in the morning in Japan and Taiwan — for the “unblinding.” “It felt like a ceremony, a ritual, that we went through,” Strauss said. “We unveiled the data, and ran our plots, immediately we saw it was great. Everyone went, ‘Oh, whew!’ and everyone was very happy.” Dalal and her roommate popped a bottle of champagne that night.

विश्व के सबसे बड़े टेलीस्कोप कैमरे से एक विशाल सर्वेक्षण

एचएससी दुनिया में अपने आकार के टेलीस्कोप पर सबसे बड़ा कैमरा है, यह एक पर्दा तब तक रहेगा जब तक वेरा सी. रुबिन वेधशाला वर्तमान में चिली एंडीज में निर्माणाधीन है, 2024 के अंत में अंतरिक्ष और समय का विरासत सर्वेक्षण (एलएसएसटी) शुरू नहीं हो जाता है। वास्तव में, एचएससी के कच्चे डेटा को एलएसएसटी के लिए डिज़ाइन किए गए सॉफ़्टवेयर के साथ संसाधित किया जाता है। प्रिंसटन के एसोसिएट रिसर्च स्कॉलर एंड्रेस प्लाजास ने कहा, "यह देखना दिलचस्प है कि हमारी सॉफ्टवेयर पाइपलाइन एलएसएसटी से भी पहले इतनी बड़ी मात्रा में डेटा को संभालने में सक्षम हैं।" शोध दल ने जिस सर्वेक्षण का उपयोग किया वह आकाश के लगभग 420 वर्ग डिग्री को कवर करता है, जो 2000 पूर्ण चंद्रमाओं के बराबर है। यह आकाश का एक ही सन्निहित टुकड़ा नहीं है, बल्कि छह अलग-अलग टुकड़ों में विभाजित है, प्रत्येक टुकड़े का आकार इतना है कि आप उसे अपनी मुट्ठी फैलाकर ढक सकते हैं। जिन 25 मिलियन आकाशगंगाओं का उन्होंने सर्वेक्षण किया, वे इतनी दूर हैं कि इन आकाशगंगाओं को आज की तरह देखने के बजाय, एचएससी ने रिकॉर्ड किया कि वे अरबों साल पहले कैसी थीं। इनमें से प्रत्येक आकाशगंगा करोड़ों सूर्यों की आग से चमकती है, लेकिन क्योंकि वे बहुत दूर हैं, इसलिए वे बेहद फीकी हैं, नंगी आंखों से देखे जा सकने वाले फीके तारों की तुलना में 25 मिलियन गुना फीकी। "एचएससी सहयोग से इन परिणामों को देखना बेहद रोमांचक है, विशेष रूप से यह डेटा रुबिन वेधशाला से हमारी अपेक्षा के सबसे करीब है, जिसके लिए समुदाय मिलकर काम कर रहा है," कैंब्रिज विश्वविद्यालय के वरिष्ठ कावली फेलो और कॉस्मोलॉजिस्ट एलेक्जेंड्रा अमोन ने कहा। ट्रिनिटी कॉलेज के वरिष्ठ शोधकर्ता, जो इस शोध में शामिल नहीं थे। “उनका गहन सर्वेक्षण सुंदर डेटा बनाता है। मेरे लिए, यह दिलचस्प है कि एचएससी, अन्य स्वतंत्र कमजोर लेंसिंग सर्वेक्षणों की तरह, एस के लिए कम मूल्य की ओर इशारा करता है8 - यह महत्वपूर्ण सत्यापन और रोमांचक है कि ये तनाव और रुझान हमें रुकने और सोचने के लिए मजबूर करते हैं कि डेटा हमें हमारे ब्रह्मांड के बारे में क्या बता रहा है!

मानक ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल

ब्रह्माण्ड विज्ञान का मानक मॉडल कुछ मायनों में "आश्चर्यजनक रूप से सरल" है, बॉन विश्वविद्यालय की एंड्रिना निकोला ने बताया, जिन्होंने दलाल को इस परियोजना पर सलाह दी थी जब वह प्रिंसटन में पोस्टडॉक्टरल विद्वान थीं। मॉडल का मानना है कि ब्रह्मांड केवल चार बुनियादी घटकों से बना है: साधारण पदार्थ (परमाणु, ज्यादातर हाइड्रोजन और हीलियम), डार्क मैटर, डार्क एनर्जी और फोटॉन। मानक मॉडल के अनुसार, 13.8 अरब साल पहले बिग बैंग के बाद से ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है: इसकी शुरुआत लगभग पूरी तरह से सुचारू थी, लेकिन ब्रह्मांड में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव पर गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव ने संरचना का निर्माण किया - अंधेरे पदार्थ के गुच्छों में घिरी आकाशगंगाएँ - रूप देना। वर्तमान ब्रह्मांड में, सामान्य पदार्थ, डार्क मैटर, डार्क एनर्जी का सापेक्ष योगदान लगभग 5%, 25% और 70% है, साथ ही फोटॉन का भी एक छोटा सा योगदान है। मानक मॉडल को केवल कुछ मुट्ठी भर संख्याओं द्वारा परिभाषित किया गया है: ब्रह्मांड की विस्तार दर; डार्क मैटर कितना चिपचिपा है इसका एक माप (एस8); ब्रह्माण्ड के घटकों का सापेक्ष योगदान (उपरोक्त 5%, 25%, 70% संख्या); ब्रह्मांड का समग्र घनत्व; और एक तकनीकी मात्रा यह बताती है कि बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड की जटिलता छोटे पैमाने पर किस तरह से संबंधित है। "और मूलतः यही है!" स्ट्रॉस ने कहा. "हम, ब्रह्माण्ड संबंधी समुदाय, इस मॉडल पर जुट गए हैं, जो 2000 के दशक की शुरुआत से लागू है।" कॉस्मोलॉजिस्ट इन संख्याओं को विभिन्न तरीकों से नियंत्रित करके इस मॉडल का परीक्षण करने के लिए उत्सुक हैं, जैसे कि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड में उतार-चढ़ाव को देखकर (जो संक्षेप में ब्रह्मांड की शिशु तस्वीर है, यह कैप्चर करना कि यह अपने पहले 400,000 वर्षों के बाद कैसा दिखता था), विस्तार का मॉडलिंग करना। ब्रह्मांड का इतिहास, अपेक्षाकृत हाल के अतीत में ब्रह्मांड की जटिलता को मापना, और अन्य। "हम समुदाय में बढ़ती समझ की पुष्टि कर रहे हैं कि प्रारंभिक ब्रह्मांड (सीएमबी से मापा गया) में क्लंपिंग की माप और 'केवल' 9 अरब साल पहले आकाशगंगाओं के युग के बीच एक वास्तविक विसंगति है," ने कहा। अरुण कन्नवाडी, प्रिंसटन के एक सहयोगी शोध विद्वान, जो विश्लेषण में शामिल थे।

आक्रमण की पाँच पंक्तियाँ

Dalal’s work does a so-called Fourier-space analysis; a parallel real-space analysis was led by Xiangchong Li of Carnegie Mellon University, who worked in close collaboration with Rachel Mandelbaum, who completed her physics A.B. in 2000 and her Ph.D. in 2006, both from Princeton. A third analysis, a so-called 3×2-point analysis, takes a different approach of measuring the gravitational lensing signal around individual galaxies, to calibrate the amount of dark matter associated with each galaxy. That analysis was led by Sunao Sugiyama of the University of Tokyo, Hironao Miyatake (a former Princeton postdoctoral fellow) of Nagoya University and Surhud More of the Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics in Pune, India. These five sets of analyses each use the HSC data to come to the same conclusion about S8. Doing both the real-space analysis and the Fourier-space analysis “was sort of a sanity check,” said Dalal. She and Li worked closely to coordinate their analyses, using blinded data. Any discrepancies between those two would say that the researchers’ methodology was wrong. “It would tell us less about astrophysics and more about how we might have screwed up,” Dalal said. “We didn’t know until the unblinding that two results were bang-on identical,” she said. “It felt miraculous.” Sunao added: “Our 3×2-point analysis combines the weak lensing analysis with the clustering of galaxies. Only after unblinding did we know that our results were in beautiful agreement with those of Roohi and Xiangchong. The fact that all these analyses are giving the same answer gives us confidence that we’re doing something right!”