Come vedere l'invisibile: usare la distribuzione della materia oscura per testare il nostro modello cosmologico

Ripubblicato da Platone

Seguaci: 0

08 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) Sembra un classico paradosso: come vedi l'invisibile? Ma per gli astronomi moderni, è una vera sfida: come si misura la materia oscura, che per definizione non emette luce? La risposta: vedi come influisce sulle cose che puoi vedere. Nel caso della materia oscura, gli astronomi osservano come la luce delle galassie lontane si piega attorno ad essa. Un team internazionale di astrofisici e cosmologi ha passato l'anno scorso a svelare i segreti di questo materiale sfuggente, utilizzando sofisticate simulazioni al computer e le osservazioni di una delle più potenti camere astronomiche del mondo, l'Hyper Suprime-Cam (HSC). Il team è guidato da astronomi dell'Università di Princeton e delle comunità astronomiche del Giappone e di Taiwan, utilizzando i dati dei primi tre anni dell'HSC sky survey, un'indagine di immagini ad ampio campo effettuata con il telescopio Subaru di 8.2 metri sulla vetta del Maunakea alle Hawaii. Subaru è gestito dall'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone; il suo nome è la parola giapponese per l'ammasso di stelle che chiamiamo le Pleiadi. Il team ha presentato le proprie scoperte in un webinar a cui hanno partecipato più di 200 persone e condivideranno il proprio lavoro alla conferenza "Future Science with CMB x LSS" in Giappone.

[Contenuto incorporato]

"Il nostro obiettivo generale è misurare alcune delle proprietà fondamentali del nostro universo", ha affermato Roohi Dalal, uno studente laureato in astrofisica a Princeton. “Sappiamo che l'energia oscura e la materia oscura costituiscono il 95% del nostro universo, ma sappiamo molto poco su cosa siano realmente e su come si siano evolute nel corso della storia dell'universo. Grumi di materia oscura distorcono la luce di galassie lontane attraverso deboli lenti gravitazionali, un fenomeno previsto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein. Questa distorsione è un effetto davvero molto piccolo; la forma di una singola galassia è distorta di una quantità impercettibile. Ma quando effettuiamo questa misurazione per 25 milioni di galassie, siamo in grado di misurare la distorsione con una precisione piuttosto elevata». Per saltare alla battuta finale: il team ha misurato un valore per la "complessità" della materia oscura dell'universo (noto ai cosmologi come "S8”) di 0.776, che si allinea con i valori che altri sondaggi sulle lenti gravitazionali hanno trovato osservando l'universo relativamente recente, ma non si allinea con il valore di 0.83 derivato dal Cosmic Microwave Background, che risale alle origini dell'universo. Il divario tra questi due valori è piccolo, ma poiché sempre più studi confermano ciascuno dei due valori, non sembra essere casuale. Le altre possibilità sono che ci sia qualche errore o errore non ancora riconosciuto in una di queste due misurazioni o che il modello cosmologico standard sia incompleto in qualche modo interessante. "Siamo ancora abbastanza cauti qui", ha affermato Michael Strauss, presidente del Dipartimento di scienze astrofisiche di Princeton e uno dei leader del team HSC. “Non stiamo dicendo di aver appena scoperto che la cosmologia moderna è completamente sbagliata, perché, come ha sottolineato Roohi, l'effetto che stiamo misurando è molto sottile. Ora, pensiamo di aver fatto bene la misurazione. E le statistiche mostrano che c'è solo una possibilità su 20 che sia solo dovuto al caso, il che è convincente ma non del tutto definitivo. Ma poiché noi della comunità astronomica arriviamo alla stessa conclusione su più esperimenti, mentre continuiamo a fare queste misurazioni, forse stiamo scoprendo che è reale». Pleiadi

Questo ammasso di stelle, noto come le Pleiadi agli astronomi occidentali, è noto come Subaru in Giappone e dà il nome al telescopio Subaru di 8.2 metri sulla sommità del Maunakea alle Hawaii. Subaru è gestito dall'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. (Immagine: NASA, ESA, AURA/Caltech, Osservatorio Palomar)

Nascondere e scoprire i dati

L'idea che sia necessario un cambiamento nel modello cosmologico standard, che ci sia un pezzo fondamentale di cosmologia ancora da scoprire, è deliziosamente allettante per alcuni scienziati. “Siamo esseri umani e abbiamo delle preferenze. Ecco perché facciamo quella che chiamiamo un'analisi 'cieca'”, ha detto Strauss. “Gli scienziati sono diventati abbastanza autocoscienti da sapere che pregiudicheremo noi stessi, non importa quanto siamo attenti, a meno che non svolgiamo la nostra analisi senza permetterci di conoscere i risultati fino alla fine. Per me, mi piacerebbe davvero trovare qualcosa di fondamentalmente nuovo. Sarebbe davvero eccitante. Ma poiché ho dei pregiudizi in quella direzione, vogliamo stare molto attenti a non lasciare che ciò influenzi qualsiasi analisi che facciamo. Per proteggere il loro lavoro dai loro pregiudizi, hanno letteralmente nascosto i loro risultati a se stessi e ai loro colleghi, mese dopo mese dopo mese. "Ho lavorato a questa analisi per un anno e non sono riuscito a vedere i valori che stavano venendo fuori", ha detto Dalal. Il team ha anche aggiunto un ulteriore livello di offuscamento: hanno eseguito le loro analisi su tre diversi cataloghi di galassie, uno reale e due con valori numerici compensati da valori casuali. "Non sapevamo quale di loro fosse reale, quindi anche se qualcuno avesse accidentalmente visto i valori, non avremmo saputo se i risultati fossero basati sul catalogo reale o meno", ha detto. Il 16 febbraio, il team internazionale si è riunito su Zoom - la sera a Princeton, la mattina in Giappone e Taiwan - per lo "smascheramento". "Sembrava una cerimonia, un rituale, che abbiamo attraversato", ha detto Strauss. “Abbiamo svelato i dati ed eseguito i nostri grafici, abbiamo subito visto che era fantastico. Tutti hanno detto: "Oh, wow!" e tutti erano molto felici. Dalal e la sua compagna di stanza hanno stappato una bottiglia di champagne quella notte.

Un enorme sondaggio con la più grande fotocamera del telescopio del mondo

HSC è la più grande fotocamera su un telescopio delle sue dimensioni al mondo, un mantello che manterrà fino a quando l'Osservatorio Vera C. Rubin attualmente in costruzione nelle Ande cilene, inizierà il Legacy Survey of Space and Time (LSST) alla fine del 2024. Infatti, i dati grezzi provenienti da HSC vengono elaborati con il software progettato per LSST. "È affascinante vedere che le nostre pipeline software sono in grado di gestire quantità così grandi di dati ben prima di LSST", ha affermato Andrés Plazas, ricercatore associato a Princeton. Il sondaggio utilizzato dal team di ricerca copre circa 420 gradi quadrati di cielo, circa l'equivalente di 2000 lune piene. Non è un singolo pezzo di cielo contiguo, ma diviso in sei pezzi diversi, ciascuno delle dimensioni che potresti coprire con un pugno teso. I 25 milioni di galassie che hanno esaminato sono così distanti che invece di vedere queste galassie come sono oggi, l'HSC ha registrato come erano miliardi di anni fa. Ognuna di queste galassie brilla dei fuochi di decine di miliardi di soli, ma poiché sono così lontane, sono estremamente deboli, fino a 25 milioni di volte più deboli delle stelle più deboli che possiamo vedere ad occhio nudo. "È estremamente emozionante vedere questi risultati dalla collaborazione HSC, soprattutto perché questi dati sono i più vicini a ciò che ci aspettiamo dall'Osservatorio Rubin, a cui la comunità sta lavorando insieme", ha affermato la cosmologa Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow presso l'Università di Cambridge e a ricercatore senior presso il Trinity College, che non è stato coinvolto in questa ricerca. “Il loro sondaggio approfondito produce dati meravigliosi. Per me è intrigante che HSC, come gli altri sondaggi indipendenti sulla lente debole, indichi un valore basso per S8 - è una conferma importante ed eccitante che queste tensioni e tendenze ci costringano a fermarci e pensare a cosa ci dicono quei dati sul nostro Universo!

Il modello cosmologico standard

Il modello standard della cosmologia è "sorprendentemente semplice" per certi versi, ha spiegato Andrina Nicola dell'Università di Bonn, che ha consigliato Dalal in questo progetto quando era una ricercatrice post-dottorato a Princeton. Il modello postula che l'universo sia composto da soli quattro costituenti di base: materia ordinaria (atomi, principalmente idrogeno ed elio), materia oscura, energia oscura e fotoni. Secondo il modello standard, l'universo si è espanso sin dal Big Bang 13.8 miliardi di anni fa: è iniziato quasi perfettamente liscio, ma l'attrazione della gravità sulle sottili fluttuazioni nell'universo ha causato la struttura - galassie avvolte da ammassi di materia oscura - per formare. Nell'universo attuale, i contributi relativi di materia ordinaria, materia oscura, energia oscura sono circa il 5%, il 25% e il 70%, più un minuscolo contributo dei fotoni. Il modello standard è definito solo da una manciata di numeri: il tasso di espansione dell'universo; una misura di quanto è grumosa la materia oscura (S8); i contributi relativi dei costituenti dell'universo (i numeri 5%, 25%, 70% sopra); la densità complessiva dell'universo; e una quantità tecnica che descrive come l'aggregazione dell'universo su larga scala sia correlata a quella su piccola scala. "E questo è fondamentalmente tutto!" disse Strauss. "Noi, la comunità cosmologica, siamo convergenti su questo modello, che è in vigore dai primi anni 2000". I cosmologi sono ansiosi di testare questo modello vincolando questi numeri in vari modi, ad esempio osservando le fluttuazioni nello sfondo cosmico a microonde (che in sostanza è l'immagine infantile dell'universo, catturando come appariva dopo i suoi primi 400,000 anni), modellando l'espansione storia dell'universo, misurando l'aggregazione dell'universo in un passato relativamente recente, e altri. "Stiamo confermando una crescente sensazione nella comunità che ci sia una reale discrepanza tra la misurazione dell'aggregazione nell'universo primordiale (misurata dalla CMB) e quella dell'era delle galassie, 'solo' 9 miliardi di anni fa", ha detto Arun Kannawadi, ricercatore associato a Princeton che è stato coinvolto nell'analisi.

Cinque linee di attacco

Il lavoro di Dalal esegue una cosiddetta analisi dello spazio di Fourier; un'analisi parallela dello spazio reale è stata condotta da Xiangchong Li della Carnegie Mellon University, che ha lavorato in stretta collaborazione con Rachel Mandelbaum, che ha completato il suo AB in fisica nel 2000 e il suo dottorato di ricerca. nel 2006, entrambi di Princeton. Una terza analisi, la cosiddetta analisi 3×2 punti, adotta un approccio diverso per misurare il segnale di lente gravitazionale attorno alle singole galassie, per calibrare la quantità di materia oscura associata a ciascuna galassia. L'analisi è stata condotta da Sunao Sugiyama dell'Università di Tokyo, Hironao Miyatake (un ex borsista post-dottorato di Princeton) dell'Università di Nagoya e Surhud More del Centro interuniversitario di astronomia e astrofisica di Pune, in India. Queste cinque serie di analisi utilizzano ciascuna i dati HSC per giungere alla stessa conclusione su S8. Fare sia l'analisi dello spazio reale che l'analisi dello spazio di Fourier "è stata una sorta di controllo di sanità mentale", ha detto Dalal. Lei e Li hanno lavorato a stretto contatto per coordinare le loro analisi, utilizzando dati ciechi. Eventuali discrepanze tra questi due indicherebbero che la metodologia dei ricercatori era sbagliata. "Ci direbbe meno sull'astrofisica e più su come avremmo potuto sbagliare", ha detto Dalal. "Non sapevamo fino allo smascheramento che due risultati fossero identici", ha detto. "Sembrava miracoloso." Sunao ha aggiunto: “La nostra analisi 3 × 2 punti combina l'analisi del lensing debole con il clustering delle galassie. Solo dopo aver smascherato sapevamo che i nostri risultati erano in perfetto accordo con quelli di Roohi e Xiangchong. Il fatto che tutte queste analisi diano la stessa risposta ci dà fiducia che stiamo facendo qualcosa di giusto!”