Cara Melihat Yang Tak Terlihat: Menggunakan Distribusi Materi Gelap Untuk Menguji Model Kosmologi Kita

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

08 Apr 2023 (Berita Nanowerk) Rasanya seperti paradoks klasik: Bagaimana Anda melihat yang tidak terlihat? Tapi bagi para astronom modern, ini adalah tantangan yang sangat nyata: Bagaimana Anda mengukur materi gelap, yang menurut definisi tidak memancarkan cahaya? Jawabannya: Anda lihat bagaimana hal itu memengaruhi hal-hal yang dapat Anda lihat. Dalam kasus materi gelap, para astronom mengamati bagaimana cahaya dari galaksi jauh membelok di sekitarnya. Sebuah tim ahli astrofisika dan kosmologi internasional telah menghabiskan tahun lalu untuk mengungkap rahasia materi yang sulit dipahami ini, menggunakan simulasi komputer canggih dan pengamatan dari salah satu kamera astronomi terkuat di dunia, Hyper Suprime-Cam (HSC). Tim tersebut dipimpin oleh para astronom dari Universitas Princeton dan komunitas astronomi Jepang dan Taiwan, menggunakan data dari tiga tahun pertama survei langit HSC, sebuah survei pencitraan bidang luas yang dilakukan dengan teleskop Subaru 8.2 meter di puncak Maunakea di Hawaii. Subaru dioperasikan oleh Observatorium Astronomi Nasional Jepang; namanya adalah kata dalam bahasa Jepang untuk gugusan bintang yang kita sebut Pleiades. Tim mempresentasikan temuan mereka di webinar yang dihadiri oleh lebih dari 200 orang, dan mereka akan membagikan hasil kerjanya di konferensi “Future Science with CMB x LSS” di Jepang.

[Embedded content]

“Tujuan keseluruhan kami adalah untuk mengukur beberapa sifat paling mendasar dari alam semesta kita,” kata Roohi Dalal, seorang mahasiswa pascasarjana astrofisika di Princeton. “Kita tahu bahwa energi gelap dan materi gelap membentuk 95% alam semesta kita, tetapi kita hanya memahami sedikit tentang apa sebenarnya mereka dan bagaimana mereka berevolusi sepanjang sejarah alam semesta. Gumpalan materi gelap mendistorsi cahaya galaksi jauh melalui pelensaan gravitasi lemah, sebuah fenomena yang diprediksi oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Distorsi ini adalah efek yang sangat kecil; bentuk satu galaksi terdistorsi dengan jumlah yang tak terlihat. Namun saat kami melakukan pengukuran untuk 25 juta galaksi, kami dapat mengukur distorsi dengan presisi yang cukup tinggi.” Untuk melompat ke bagian lucunya: Tim telah mengukur nilai untuk "kekaguman" materi gelap alam semesta (dikenal oleh kosmolog sebagai "S8”) dari 0.776, yang selaras dengan nilai yang ditemukan oleh survei pelensaan gravitasi lain dalam melihat alam semesta yang relatif baru — tetapi tidak selaras dengan nilai 0.83 yang berasal dari Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik, yang berasal dari asal mula alam semesta. Kesenjangan antara kedua nilai ini kecil, tetapi karena semakin banyak penelitian yang mengonfirmasi masing-masing dari kedua nilai tersebut, hal itu tampaknya tidak disengaja. Kemungkinan lain adalah bahwa ada beberapa kesalahan atau kesalahan yang belum dikenali dalam salah satu dari dua pengukuran ini atau model kosmologis standar tidak lengkap dalam beberapa hal yang menarik. "Kami masih berhati-hati di sini," kata Michael Strauss, ketua Departemen Ilmu Astrofisika Princeton dan salah satu pemimpin tim HSC. “Kami tidak mengatakan bahwa kami baru saja menemukan bahwa kosmologi modern semuanya salah, karena, seperti yang ditekankan Roohi, efek yang kami ukur sangat halus. Sekarang, kami pikir kami telah melakukan pengukuran dengan benar. Dan statistik menunjukkan bahwa hanya ada satu dari 20 kemungkinan bahwa itu hanya karena kebetulan, yang menarik tetapi tidak sepenuhnya pasti. Tapi saat kami di komunitas astronomi sampai pada kesimpulan yang sama atas berbagai eksperimen, saat kami terus melakukan pengukuran ini, mungkin kami menemukan bahwa ini nyata.”

Gugusan bintang ini, yang dikenal sebagai Pleiades oleh para astronom Barat, dikenal sebagai Subaru di Jepang dan memberi nama pada teleskop Subaru setinggi 8.2 meter di puncak Maunakea di Hawaii. Subaru dioperasikan oleh Observatorium Astronomi Nasional Jepang. (Gambar: NASA, ESA, AURA/Caltech, Observatorium Palomar)

Menyembunyikan dan mengungkap data

Gagasan bahwa beberapa perubahan diperlukan dalam model kosmologis standar, bahwa ada bagian mendasar dari kosmologi yang belum ditemukan, merupakan ide yang sangat menggoda bagi beberapa ilmuwan. “Kami adalah manusia, dan kami memiliki preferensi. Itu sebabnya kami melakukan apa yang kami sebut analisis 'buta',” kata Strauss. “Para ilmuwan telah menjadi cukup sadar diri untuk mengetahui bahwa kita akan bias pada diri kita sendiri, tidak peduli seberapa hati-hati kita, kecuali jika kita melakukan analisis tanpa membiarkan diri kita sendiri mengetahui hasilnya sampai akhir. Bagi saya, saya ingin benar-benar menemukan sesuatu yang baru secara fundamental. Itu akan sangat menyenangkan. Tetapi karena saya berprasangka ke arah itu, kami ingin sangat berhati-hati agar hal itu tidak memengaruhi analisis apa pun yang kami lakukan.” Untuk melindungi pekerjaan mereka dari bias mereka, mereka benar-benar menyembunyikan hasil mereka dari diri mereka sendiri dan kolega mereka - bulan demi bulan. “Saya mengerjakan analisis ini selama satu tahun dan tidak sempat melihat nilai-nilai yang muncul,” kata Dalal. Tim bahkan menambahkan lapisan tambahan yang membingungkan: mereka menjalankan analisis mereka pada tiga katalog galaksi yang berbeda, satu real dan dua dengan nilai numerik diimbangi dengan nilai acak. “Kami tidak tahu mana yang asli, jadi kalaupun ada yang tidak sengaja melihat nilainya, kami tidak tahu apakah hasilnya berdasarkan katalog asli atau tidak,” ujarnya. Pada 16 Februari, tim internasional berkumpul bersama di Zoom — pada malam hari di Princeton, pada pagi hari di Jepang dan Taiwan — untuk “unblinding”. “Rasanya seperti upacara, ritual, yang kami lalui,” kata Strauss. “Kami mengungkap datanya, dan menjalankan plot kami, segera kami melihat itu bagus. Semua orang berkata, 'Oh, wah!' dan semua orang sangat senang.” Dalal dan teman sekamarnya mengeluarkan sebotol sampanye malam itu.

Sebuah survei besar dengan kamera teleskop terbesar di dunia

HSC adalah kamera teleskop terbesar dengan ukurannya di dunia, mantel yang akan dipegangnya hingga Observatorium Vera C. Rubin yang saat ini sedang dibangun di Andes Chili, memulai Survei Warisan Ruang dan Waktu (LSST) pada akhir 2024. Faktanya, data mentah dari HSC diproses dengan perangkat lunak yang dirancang untuk LSST. “Sangat menarik untuk melihat bahwa jaringan peranti lunak kami mampu menangani data dalam jumlah besar jauh sebelum LSST,” kata Andrés Plazas, peneliti rekanan di Princeton. Survei yang digunakan tim peneliti mencakup sekitar 420 derajat persegi langit, kira-kira setara dengan 2000 bulan purnama. Itu bukan satu bongkahan langit yang berdekatan, tetapi terbelah di antara enam bagian yang berbeda, masing-masing seukuran yang bisa Anda tutupi dengan kepalan tangan yang terulur. 25 juta galaksi yang mereka survei sangat jauh sehingga alih-alih melihat galaksi-galaksi ini seperti sekarang, HSC mencatat bagaimana keadaannya miliaran tahun yang lalu. Masing-masing galaksi ini bersinar dengan api puluhan miliar matahari, tetapi karena jaraknya yang sangat jauh, mereka sangat redup, sebanyak 25 juta kali lebih redup daripada bintang paling redup yang dapat kita lihat dengan mata telanjang. “Sangat menyenangkan melihat hasil dari kolaborasi HSC ini, terutama karena data ini paling dekat dengan apa yang kami harapkan dari Observatorium Rubin, yang sedang dikerjakan bersama oleh komunitas,” kata ahli kosmologi Alexandra Amon, Rekan Kavli Senior di Universitas Cambridge dan a peneliti senior di Trinity College, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Survei mendalam mereka menghasilkan data yang indah. Bagi saya, menarik bahwa HSC, seperti survei pelensaan lemah independen lainnya, menunjukkan nilai rendah untuk S8 — ini adalah validasi yang penting, dan menarik bahwa ketegangan dan tren ini memaksa kita untuk berhenti sejenak dan berpikir tentang apa yang dikatakan data tersebut tentang Alam Semesta kita!”

Model kosmologi standar

Model standar kosmologi “sangat sederhana” dalam beberapa hal, jelas Andrina Nicola dari Universitas Bonn, yang menjadi penasihat Dalal dalam proyek ini ketika dia menjadi sarjana postdoctoral di Princeton. Model tersebut berpendapat bahwa alam semesta hanya terdiri dari empat konstituen dasar: materi biasa (atom, sebagian besar hidrogen dan helium), materi gelap, energi gelap, dan foton. Menurut model standar, alam semesta telah mengembang sejak Big Bang 13.8 miliar tahun yang lalu: awalnya hampir mulus sempurna, tetapi tarikan gravitasi pada fluktuasi halus di alam semesta telah menyebabkan struktur - galaksi yang diselimuti gumpalan materi gelap - untuk membentuk. Di alam semesta saat ini, kontribusi relatif materi biasa, materi gelap, energi gelap adalah sekitar 5%, 25%, dan 70%, ditambah kontribusi kecil dari foton. Model standar hanya ditentukan oleh segelintir angka: laju ekspansi alam semesta; ukuran seberapa menggumpalnya materi gelap (S8); kontribusi relatif dari penyusun alam semesta (angka 5%, 25%, 70% di atas); kepadatan keseluruhan alam semesta; dan besaran teknis yang menjelaskan bagaimana kekumuhan alam semesta pada skala besar berhubungan dengan pada skala kecil. "Dan pada dasarnya itu!" kata Strauss. “Kami, komunitas kosmologis, telah sepakat dengan model ini, yang telah ada sejak awal tahun 2000-an.” Kosmolog sangat ingin menguji model ini dengan membatasi angka-angka ini dengan berbagai cara, seperti dengan mengamati fluktuasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmis (yang pada intinya adalah gambaran bayi alam semesta, menangkap tampilannya setelah 400,000 tahun pertama), memodelkan ekspansi sejarah alam semesta, mengukur kekumuhan alam semesta di masa lalu yang relatif baru, dan lain-lain. “Kami mengonfirmasikan pemahaman yang tumbuh di masyarakat bahwa ada perbedaan nyata antara pengukuran penggumpalan di alam semesta awal (diukur dari CMB) dan dari era galaksi, 'hanya' 9 miliar tahun yang lalu,” kata Arun Kannawadi, seorang sarjana peneliti rekanan di Princeton yang terlibat dalam analisis tersebut.

Lima baris serangan

Karya Dalal melakukan apa yang disebut analisis ruang Fourier; analisis ruang nyata paralel dipimpin oleh Xiangchong Li dari Universitas Carnegie Mellon, yang bekerja sama erat dengan Rachel Mandelbaum, yang menyelesaikan fisika AB pada tahun 2000 dan gelar Ph.D. pada tahun 2006, keduanya dari Princeton. Analisis ketiga, yang disebut analisis titik 3×2, menggunakan pendekatan berbeda untuk mengukur sinyal lensa gravitasi di sekitar masing-masing galaksi, untuk mengkalibrasi jumlah materi gelap yang terkait dengan setiap galaksi. Analisis itu dipimpin oleh Sunao Sugiyama dari Universitas Tokyo, Hironao Miyatake (mantan postdoctoral fellow Princeton) dari Universitas Nagoya dan Surhud More dari Pusat Antar-Universitas untuk Astronomi dan Astrofisika di Pune, India. Kelima set analisis ini masing-masing menggunakan data HSC untuk sampai pada kesimpulan yang sama tentang S8. Melakukan analisis ruang nyata dan analisis ruang Fourier “merupakan semacam pemeriksaan kewarasan,” kata Dalal. Dia dan Li bekerja erat untuk mengoordinasikan analisis mereka, menggunakan data buta. Setiap perbedaan antara keduanya akan mengatakan bahwa metodologi peneliti salah. "Itu akan memberi tahu kita lebih sedikit tentang astrofisika dan lebih banyak tentang bagaimana kita bisa mengacaukannya," kata Dalal. "Kami tidak tahu sampai tidak membutakan bahwa dua hasil itu identik," katanya. “Rasanya ajaib.” Sunao menambahkan: “Analisis 3×2 poin kami menggabungkan analisis pelensaan lemah dengan pengelompokan galaksi. Hanya setelah membuka mata kami tahu bahwa hasil kami sangat sesuai dengan hasil Roohi dan Xiangchong. Fakta bahwa semua analisis ini memberikan jawaban yang sama memberi kami keyakinan bahwa kami melakukan sesuatu dengan benar!”