כיצד לראות את הבלתי נראה: שימוש בהפצת החומר האפל כדי לבדוק את המודל הקוסמולוגי שלנו

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

08 באפריל, 2023 (חדשות Nanowerk) 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.

[תוכן מוטבע]

"המטרה הכללית שלנו היא למדוד כמה מהתכונות הבסיסיות ביותר של היקום שלנו", אמרה רוהי דלאל, סטודנטית לתואר שני באסטרופיזיקה בפרינסטון. "אנחנו יודעים שאנרגיה אפלה וחומר אפל מהווים 95% מהיקום שלנו, אבל אנחנו מבינים מעט מאוד על מה הם בעצם וכיצד הם התפתחו במהלך ההיסטוריה של היקום. גושים של חומר אפל מעוותים את האור של גלקסיות רחוקות באמצעות עדשת כבידה חלשה, תופעה שנחזה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין. העיוות הזה הוא אפקט ממש ממש קטן; צורתה של גלקסיה בודדת מעוותת בכמות בלתי מורגשת. אבל כשאנחנו מבצעים את המדידה הזו עבור 25 מיליון גלקסיות, אנחנו מסוגלים למדוד את העיוות בדיוק גבוה למדי." לקפוץ לקו המחץ: הצוות מדד ערך ל"גושיות" של החומר האפל של היקום (הידוע לקוסמולוגים בשם "S8”) של 0.776, שמתיישר עם ערכים שסקרי עדשות כבידה אחרים מצאו בהסתכלות על היקום האחרון יחסית - אך הוא אינו מתיישב עם הערך של 0.83 הנגזר מרקע המיקרוגל הקוסמי, שראשיתו למקורות היקום. הפער בין שני הערכים הללו קטן, אך ככל שיותר ויותר מחקרים מאשרים כל אחד משני הערכים, נראה שזה לא מקרי. האפשרויות האחרות הן שיש איזו שגיאה או טעות שעדיין לא מזוהה באחת משתי המדידות הללו או שהמודל הקוסמולוגי הסטנדרטי אינו שלם בצורה מעניינת כלשהי. "אנחנו עדיין די זהירים כאן", אמר מייקל שטראוס, יו"ר המחלקה למדעי האסטרופיזיקה של פרינסטון ואחד ממנהיגי צוות HSC. "אנחנו לא אומרים שזה עתה גילינו שהקוסמולוגיה המודרנית כולה שגויה, כי, כפי שהדגיש רוהי, ההשפעה שאנו מודדים היא עדינה מאוד. עכשיו, אנחנו חושבים שעשינו את המדידה כמו שצריך. והסטטיסטיקה מראה שיש רק סיכוי של אחד ל-20 שזה רק בגלל מקרה, וזה משכנע אבל לא מוחלט לחלוטין. אבל כשאנחנו בקהילת האסטרונומיה מגיעים לאותה מסקנה על פני ניסויים מרובים, כשאנחנו ממשיכים לעשות את המדידות האלה, אולי אנחנו מגלים שזה אמיתי."

צביר כוכבים זה, הידוע כפליאדות לאסטרונומים מערביים, ידוע בשם סובארו ביפן ונותן את שמו לטלסקופ סובארו באורך 8.2 מטר על פסגת מאונקיה בהוואי. סובארו מופעלת על ידי המצפה האסטרונומי הלאומי של יפן. (תמונה: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

הסתרה וחשיפת הנתונים

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.

סקר ענק עם מצלמת הטלסקופ הגדולה בעולם

HSC היא המצלמה הגדולה ביותר בטלסקופ בגודלו בעולם, מעטה שהיא תחזיק עד שמצפה הכוכבים Vera C. Rubin הנבנה כעת בהרי האנדים הצ'יליאניים, יתחיל את סקר החלל והזמן המורשת (LSST) בסוף 2024. למעשה, הנתונים הגולמיים מ-HSC מעובדים עם התוכנה המיועדת ל-LSST. "זה מרתק לראות שצינורות התוכנה שלנו מסוגלים להתמודד עם כמויות גדולות כאלה של נתונים הרבה לפני LSST", אמר אנדרס פלאסאס, חוקר מחקר שותף בפרינסטון. הסקר שבו השתמש צוות המחקר מכסה כ-420 מעלות מרובע של השמים, בערך שווה ערך ל-2000 ירחים מלאים. זה לא גוש שמים אחד רצוף, אלא מפוצל בין שישה חלקים שונים, כל אחד בערך בגודל שאפשר לכסות עם אגרוף נטוש. 25 מיליון הגלקסיות שהם סקרו כל כך רחוקות שבמקום לראות את הגלקסיות האלה כפי שהן היום, ה-HSC תיעד איך היו לפני מיליארדי שנים. כל אחת מהגלקסיות הללו זוהרת בשריפות של עשרות מיליארדי שמשות, אבל בגלל שהן כל כך רחוקות, הן חלשות ביותר, עד פי 25 מיליון קלושים יותר מהכוכבים הקלושים ביותר שאנו יכולים לראות בעין בלתי מזוינת. "זה מרגש מאוד לראות את התוצאות הללו משיתוף הפעולה של HSC, במיוחד מכיוון שהנתונים האלה הם הכי קרובים למה שאנחנו מצפים ממצפה רובין, שהקהילה פועלת לקראתו ביחד", אמרה הקוסמולוגית אלכסנדרה אמון, עמיתת קבלי בכירה באוניברסיטת קיימברידג'. חוקר בכיר בטריניטי קולג', שלא היה מעורב במחקר זה. "הסקר העמוק שלהם מספק נתונים יפים. עבורי, מסקרן ש-HSC, כמו שאר סקרי העדשות החלשות האחרות, מצביעים על ערך נמוך עבור S8 - זה אימות חשוב ומרגש שהמתחים והמגמות האלה מאלצים אותנו לעצור ולחשוב על מה שהנתונים האלה מספרים לנו על היקום שלנו!"

המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי

המודל הסטנדרטי של קוסמולוגיה הוא "פשוט להדהים" מבחינות מסוימות, הסבירה אנדרינה ניקולה מאוניברסיטת בון, שייעצה לדלאל בפרויקט זה כשהייתה פוסט-דוקטורט בפרינסטון. המודל טוען שהיקום מורכב מארבעה מרכיבים בסיסיים בלבד: חומר רגיל (אטומים, בעיקר מימן והליום), חומר אפל, אנרגיה אפלה ופוטונים. לפי המודל הסטנדרטי, היקום מתרחב מאז המפץ הגדול לפני 13.8 מיליארד שנים: הוא התחיל כמעט חלק לחלוטין, אבל משיכה של כוח הכבידה על התנודות העדינות ביקום גרמה למבנה - גלקסיות עטופים בגושי חומר אפל - כדי ליצור. ביקום של ימינו, התרומות היחסיות של החומר הרגיל, החומר האפל, האנרגיה האפלה הן כ-5%, 25% ו-70%, בתוספת תרומה זעירה של פוטונים. המודל הסטנדרטי מוגדר על ידי קומץ מספרים בלבד: קצב ההתפשטות של היקום; מדד למידת הגמישות של החומר האפל (ס8); התרומות היחסיות של מרכיבי היקום (המספרים של 5%, 25%, 70% למעלה); הצפיפות הכוללת של היקום; וכמות טכנית המתארת כיצד הגמישות של היקום בקנה מידה גדול קשור לזה בקנה מידה קטן. "וזהו בעצם!" אמר שטראוס. "אנחנו, הקהילה הקוסמולוגית, התכנסנו למודל הזה, שקיים מאז תחילת שנות ה-2000". קוסמולוגים להוטים לבדוק את המודל הזה על ידי הגבלת המספרים הללו בדרכים שונות, כגון על ידי התבוננות בתנודות ברקע המיקרוגל הקוסמי (שבמהותו היא תמונת התינוק של היקום, ללכוד איך הוא נראה לאחר 400,000 שנותיו הראשונות), מודלים של ההתפשטות היסטוריה של היקום, מדידת הגמישות של היקום בעבר הקרוב יחסית, ואחרים. "אנחנו מאשרים תחושה גוברת בקהילה שיש אי התאמה אמיתית בין מדידת הגיבוש ביקום המוקדם (נמדד מה-CMB) לבין זה מתקופת הגלקסיות, 'רק' לפני 9 מיליארד שנים", אמר. ארון קנאוואדי, חוקר מחקר שותף בפרינסטון שהיה מעורב בניתוח.

חמישה קווי התקפה

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!”