Hogyan lássuk a láthatatlant: A sötét anyag eloszlás használata kozmológiai modellünk tesztelésére

Újra kiadta Platón

Követő: 0

08. április 2023. (Nanowerk News) Klasszikus paradoxonnak tűnik: Hogyan látod a láthatatlant? De a modern csillagászok számára ez egy igazi kihívás: Hogyan mérhető a sötét anyag, amely definíció szerint nem bocsát ki fényt? A válasz: Látod, milyen hatással van a látható dolgokra. A sötét anyag esetében a csillagászok azt figyelik, hogyan kanyarodik körülötte a távoli galaxisokból származó fény. Asztrofizikusok és kozmológusok nemzetközi csapata az elmúlt évben kifinomult számítógépes szimulációk és a világ egyik legerősebb csillagászati kamerája, a Hyper Suprime-Cam (HSC) megfigyelései segítségével ugratja ennek a megfoghatatlan anyagnak a titkait. A csapatot a Princeton Egyetem, valamint a japán és tajvani csillagászati közösségek csillagászai vezetik, a HSC égbolt-felmérés első három évének adatait felhasználva. Maunakea Hawaii-on. A Subarut a Japán Nemzeti Csillagászati Obszervatórium üzemelteti; a neve a japán szó a csillaghalmazra, amit Plejádoknak nevezünk. A csapat több mint 8.2 fő részvételével zajló webináriumon mutatta be eredményeiket, munkájukat pedig a „Future Science with CMB x LSS” konferencián osztják meg Japánban.

[Beágyazott tartalmat]

"Általános célunk az, hogy megmérjük univerzumunk néhány legalapvetőbb tulajdonságát" - mondta Roohi Dalal, a Princetoni asztrofizika végzős hallgatója. „Tudjuk, hogy a sötét energia és a sötét anyag teszi ki az univerzumunk 95%-át, de nagyon keveset tudunk arról, hogy mik is valójában, és hogyan fejlődtek az univerzum története során. A sötét anyag csomói torzítják a távoli galaxisok fényét a gyenge gravitációs lencsék révén, ezt a jelenséget Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg. Ez a torzítás nagyon-nagyon kicsi hatás; egyetlen galaxis alakja észrevehetetlen mértékben torzul. De ha ezt a mérést 25 millió galaxisra végezzük, akkor elég nagy pontossággal tudjuk mérni a torzítást. A lényegre ugráshoz: A csapat megmérte az univerzum sötét anyagának „csomósságának” értékét (a kozmológusok „S” néven ismerik8”), 0.776, ami igazodik azokhoz az értékekhez, amelyeket más gravitációs lencsés felmérések találtak a viszonylag friss univerzumban – de nem igazodik a 0.83-as értékhez, amely a kozmikus mikrohullámú háttérből származik, amely az univerzum eredetére nyúlik vissza. A két érték közötti különbség kicsi, de mivel egyre több tanulmány igazolja a két értéket, nem tűnik véletlennek. A másik lehetőség az, hogy e két mérés valamelyikében van még fel nem ismert hiba vagy hiba, vagy a standard kozmológiai modell valamilyen érdekes módon nem teljes. "Még mindig elég óvatosak vagyunk" - mondta Michael Strauss, a Princetoni Asztrofizikai Tudományok Tanszékének elnöke és a HSC csapatának egyik vezetője. „Nem azt mondjuk, hogy most fedeztük fel, hogy a modern kozmológia téves, mert ahogy Roohi hangsúlyozta, az általunk mért hatás nagyon finom. Most úgy gondoljuk, hogy jól végeztük a mérést. És a statisztikák azt mutatják, hogy csak egy a 20-hoz az esélye annak, hogy ez csak a véletlennek köszönhető, ami meggyőző, de nem teljesen végleges. De ahogy mi, a csillagász közösségben ugyanarra a következtetésre jutunk több kísérlet során, miközben folyamatosan végezzük ezeket a méréseket, talán rájövünk, hogy ez valóságos.” Fiastyúk

Ezt a csillaghalmazt, amelyet a nyugati csillagászok Plejádokként ismernek, Japánban Subaruként ismerik, és a nevét a hawaii Maunakea csúcsán lévő 8.2 méteres Subaru távcsőnek adják. A Subarut a Japán Nemzeti Csillagászati Obszervatórium üzemelteti. (Kép: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Obszervatórium)

Az adatok elrejtése és feltárása

Az az elképzelés, hogy a standard kozmológiai modellben némi változtatásra van szükség, hogy a kozmológiának van még valami alapvető darabja, amelyet még fel kell fedezni, néhány tudós számára nagyon csábító. „Emberek vagyunk, és vannak preferenciáink. Ezért csináljuk azt, amit „elvakult” elemzésnek nevezünk” – mondta Strauss. „A tudósok eléggé öntudatosak lettek ahhoz, hogy tudják, elfoguljuk magunkat, bármennyire is óvatosak vagyunk, hacsak nem végezzük el az elemzést anélkül, hogy megengednénk magunknak az eredményeket a végsőkig. Számomra nagyon szeretnék valami alapvetően újat találni. Az igazán izgalmas lenne. De mivel előítéletes vagyok ebben az irányban, nagyon óvatosak akarunk lenni, nehogy ez befolyásolja az általunk végzett elemzéseket.” Hogy megvédjék munkájukat elfogultságaiktól, szó szerint eltitkolták eredményeiket maguk és kollégáik elől – hónapról hónapra. „Egy évig dolgoztam ezen az elemzésen, és nem láttam a megjelenő értékeket” – mondta Dalal. A csapat még egy extra zavaró réteget is hozzáadott: elemzéseiket három különböző galaxiskatalóguson futtatták, egy valós és kettő véletlenszerű értékekkel ellensúlyozott számértékekkel. „Nem tudtuk, hogy melyikük valódi, így még ha valaki véletlenül meg is látná az értékeket, nem tudhatnánk, hogy az eredmények a valódi katalóguson alapulnak-e vagy sem” – mondta. Február 16-án a nemzetközi csapat összegyűlt a Zoomon – este Princetonban, reggel Japánban és Tajvanon – a „vakítás feloldására”. „Egy szertartásnak, rituálénak éreztük, amin keresztülmentünk” – mondta Strauss. „Felfedtük az adatokat, futtattuk a telkeinket, és azonnal láttuk, hogy nagyszerű. Mindenki azt mondta: "Ó, izé!" és mindenki nagyon boldog volt.” Dalal és a szobatársa feldobott egy üveg pezsgőt aznap este.

Hatalmas felmérés a világ legnagyobb távcsőkamerájával

A HSC a világ legnagyobb kamerája a maga méretű teleszkópján, a köpeny egészen addig, amíg a Chilei Andokban jelenleg épülő Vera C. Rubin Obszervatórium 2024 végén el nem kezdi a Tér és Idő örökségi felmérését (LSST). Valójában a HSC nyers adatait az LSST-hez tervezett szoftver dolgozza fel. „Lenyűgöző látni, hogy szoftvereink képesek ilyen nagy mennyiségű adat kezelésére jóval az LSST előtt” – mondta Andrés Plazas, a Princeton kutatótársa. A kutatócsoport által használt felmérés az égbolt körülbelül 420 négyzetfokát fedi le, ami körülbelül 2000 teliholdnak felel meg. Ez nem egyetlen összefüggő égbolt, hanem hat különböző darabra oszlik, mindegyik körülbelül akkora, hogy egy kinyújtott ököllel el lehetne takarni. Az általuk felmért 25 millió galaxis olyan távoli, hogy ahelyett, hogy olyannak látta volna ezeket a galaxisokat, mint ma, a HSC feljegyezte, milyenek voltak évmilliárdokkal ezelőtt. E galaxisok mindegyike több tízmilliárd nap tüzében izzik, de mivel olyan távol vannak, rendkívül halványak, akár 25 milliószor halványabbak, mint a szabad szemmel látható leghalványabb csillagok. „Rendkívül izgalmas látni ezeket az eredményeket a HSC együttműködéséből, különösen azért, mert ezek az adatok a legközelebb állnak ahhoz, amit a Rubin Obszervatóriumtól várunk, amelyen a közösség együtt dolgozik” – mondta Alexandra Amon kozmológus, a Cambridge-i Egyetem vezető Kavli munkatársa. a Trinity College vezető kutatója, aki nem vett részt ebben a kutatásban. „Mély felmérésük gyönyörű adatokat szolgáltat. Számomra érdekes, hogy a HSC a többi független, gyenge lencsés felméréshez hasonlóan az S alacsony értékére mutat rá.8 – fontos érvényesítés, és izgalmas, hogy ezek a feszültségek és trendek arra kényszerítenek bennünket, hogy megálljunk, és átgondoljuk, mit árulnak el ezek az adatok az Univerzumunkról!”

A standard kozmológiai modell

A kozmológia standard modellje bizonyos szempontból „elképesztően egyszerű” – magyarázta Andrina Nicola, a Bonni Egyetem munkatársa, aki tanácsot adott Dalalnak ebben a projektben, amikor posztdoktori volt a Princetonban. A modell szerint az univerzum mindössze négy alapvető alkotóelemből áll: közönséges anyagból (atomok, többnyire hidrogén és hélium), sötét anyagból, sötét energiából és fotonokból. A standard modell szerint az univerzum a 13.8 milliárd évvel ezelőtti ősrobbanás óta tágul: szinte tökéletesen simán indult, de az univerzum finom fluktuációira ható gravitáció struktúrát – sötét anyag csomókba burkolt galaxisokat – idézett elő. alkotnak. A mai univerzumban a közönséges anyag, a sötét anyag és a sötét energia relatív hozzájárulása körülbelül 5%, 25% és 70%, plusz a fotonok apró hozzájárulása. A standard modellt csak néhány szám határozza meg: az univerzum tágulási sebessége; annak mértéke, hogy mennyire csomós a sötét anyag (S8); az univerzum alkotórészeinek relatív hozzájárulása (a fenti 5%, 25%, 70% számok); az univerzum teljes sűrűsége; és egy technikai mennyiség, amely leírja, hogy az univerzum nagy léptékű csomóssága hogyan viszonyul a kis léptékű világegyetem röghöz. – És lényegében ennyi! – mondta Strauss. „Mi, a kozmológiai közösség közeledtünk ehhez a modellhez, amely a 2000-es évek eleje óta létezik.” A kozmológusok szívesen tesztelik ezt a modellt úgy, hogy ezeket a számokat különféle módokon korlátozzák, például megfigyelik a kozmikus mikrohullámú háttér ingadozásait (ami lényegében az univerzum babaképe, megörökítik, hogyan nézett ki az első 400,000 9 éve után), modellezve a tágulást. az univerzum története, az univerzum rögösségének mérése a viszonylag közeli múltban és mások. "Megerősítjük a közösségben azt az egyre erősödő érzést, hogy valódi eltérés van a korai univerzumban (a CMB-ből mért) csomósodás mérése és a galaxisok korszakában, „csak" XNUMX milliárd évvel ezelőtti között" Arun Kannawadi, a Princeton kutatótársa, aki részt vett az elemzésben.

Öt támadásvonal

Dalal munkája úgynevezett Fourier-térelemzést végez; egy párhuzamos valós tér elemzést Xiangchong Li, a Carnegie Mellon Egyetem munkatársa vezetett, aki szorosan együttműködött Rachel Mandelbaummal, aki 2000-ben fejezte be a fizika AB-t és Ph.D. 2006-ban, mindkettő Princetonból. A harmadik elemzés, az úgynevezett 3×2-pontos elemzés más megközelítést alkalmaz az egyes galaxisok körüli gravitációs lencsejel mérésére, hogy kalibrálja az egyes galaxisokhoz kapcsolódó sötét anyag mennyiségét. Az elemzést Sunao Sugiyama a Tokiói Egyetemről, Hironao Miyatake (egykori Princeton posztdoktori ösztöndíjas) a Nagoya Egyetemről és Surhud More, a Pune-i Egyetem Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics munkatársa vezette. Ez az öt elemzési sorozat mindegyike a HSC-adatokat használja, hogy ugyanazt a következtetést vonja le az S-ről8. A valós térelemzés és a Fourier-térelemzés „egyfajta józanság-ellenőrzés volt” – mondta Dalal. Ő és Li szorosan együttműködtek az elemzéseik összehangolásában, vak adatok felhasználásával. A kettő közötti bármilyen eltérés azt mondaná, hogy a kutatók módszertana hibás volt. "Kevesebbet mondana nekünk az asztrofizikáról, és többet arról, hogyan ronthattuk el" - mondta Dalal. „A vakság feloldásáig nem tudtuk, hogy két eredmény teljesen azonos” – mondta. – Csodálatos érzés volt. Sunao hozzátette: „3×2-pontos elemzésünk a gyenge lencseelemzést egyesíti a galaxisok klaszterezésével. Csak a vakság feloldása után tudtuk meg, hogy eredményeink gyönyörűen megegyeznek Roohi és Xiangchong eredményeivel. Az a tény, hogy ezek az elemzések ugyanazt a választ adják, megbizonyosodhatunk arról, hogy valamit jól csinálunk!”