見えないものを見る方法: 暗黒物質の分布を使用して宇宙論モデルをテストする

見えないものを見る方法: 暗黒物質の分布を使用して宇宙論モデルをテストする

タイムスタンプ：8年2023月10日午前11時XNUMX分
ソースノード： 2573474
08 (Nanowerkニュース) 古典的なパラドックスのように感じます: 見えないものをどのように見ますか? しかし、現代の天文学者にとって、これは非常に現実的な課題です。定義上、光を放出しない暗黒物質をどのように測定するのでしょうか? 答え: 目に見えるものにどのように影響するかがわかります。 暗黒物質の場合、天文学者は遠方の銀河からの光が暗黒物質の周りでどのように曲がるかを観察します。 天体物理学者と宇宙学者の国際チームは、高度なコンピューター シミュレーションと、世界で最も強力な天体カメラの 8.2 つである Hyper Suprime-Cam (HSC) からの観測を使用して、このとらえどころのない物質の秘密を明らかにすることに昨年を費やしました。 このチームは、プリンストン大学と日本と台湾の天文学者コミュニティの天文学者によって率いられ、HSC スカイ サーベイの最初の 200 年間のデータを使用しています。ハワイのマウナケア。 すばるは国立天文台によって運営されています。 その名前は、プレアデスと呼ばれる星団の日本語です。 チームは、XNUMX 人以上が参加したウェビナーで調査結果を発表し、日本で開催される「CMB x LSS による未来の科学」カンファレンスでその成果を共有する予定です。

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「私たちの全体的な目標は、宇宙の最も基本的な特性のいくつかを測定することです」と、プリンストン大学の天体物理学の大学院生である Roohi Dalal は述べています。 「暗黒エネルギーと暗黒物質が私たちの宇宙の 95% を構成していることはわかっていますが、それらが実際に何であり、宇宙の歴史の中でどのように進化してきたかについてはほとんどわかっていません。 暗黒物質の塊は、アインシュタインの一般相対性理論によって予測された現象である、弱い重力レンズ作用によって遠方の銀河の光をゆがめます。 この歪みは、本当に小さな効果です。 単一の銀河の形状は、わずかに歪んでいます。 しかし、25 万個の銀河についてその測定を行うと、非常に高い精度で歪みを測定することができます。」 オチにジャンプするには: チームは、宇宙の暗黒物質 (宇宙学者には「S」として知られている) の「塊」の値を測定しました。8これは、他の重力レンズ調査が比較的最近の宇宙を見て発見した値と一致しますが、宇宙の起源にさかのぼる宇宙マイクロ波背景放射から導き出された 0.776 の値とは一致しません。 これらの 0.83 つの値のギャップは小さいですが、ますます多くの研究が 20 つの値のそれぞれを確認しているため、偶然ではないようです。 他の可能性としては、これら XNUMX つの測定値のいずれかに、まだ認識されていないエラーまたは誤りがあるか、標準宇宙論モデルが何らかの興味深い方法で不完全である可能性があります。 プリンストン大学の天体物理科学部門の議長であり、HSC チームのリーダーの XNUMX 人であるマイケル シュトラウス氏は、次のように述べています。 「私たちは、現代の宇宙論がすべて間違っていることを発見したと言っているわけではありません.Roohiが強調したように、私たちが測定している効果は非常に微妙なものだからです. これで、測定は正しく行われたと思います。 統計によると、それが偶然によるものである可能性は XNUMX 分の XNUMX にすぎません。これは説得力がありますが、完全に決定的なものではありません。 しかし、私たち天文学コミュニティが複数の実験で同じ結論に達し、これらの測定を続けていると、おそらくそれが本物であることがわかります。」 プレアデス 西洋の天文学者にはプレアデス星団として知られるこの星団は、日本ではすばるとして知られており、ハワイのマウナケア山頂にある 8.2 メートルのすばる望遠鏡にその名前が付けられています。 すばるは国立天文台が運営しています。 (画像: NASA、ESA、AURA/Caltech、パロマー天文台)

データの隠蔽と発見

標準的な宇宙論モデルに何らかの変更が必要であるという考え、まだ発見されていない宇宙論の基本的な部分があるという考えは、一部の科学者にとって魅力的なものです。 「私たちは人間であり、好みがあります。 そのため、「ブラインド」分析と呼ばれるものを行っています」と Strauss 氏は述べています。 「科学者は、結果を最後まで知らずに分析を実行しない限り、どんなに注意を払っても、自分自身にバイアスをかけることを十分に認識しています。 私にとっては、根本的に新しいものを見つけたいと思っています。 それは本当にエキサイティングです。 しかし、私はその方向に偏見を持っているので、それが私たちが行う分析に影響を与えないように細心の注意を払いたいと思います。」 自分の仕事を偏見から守るために、彼らは文字通り、自分自身や同僚に結果を隠していました — 毎月毎月。 「私はこの分析に 16 年間取り組みましたが、出てくる値を確認できませんでした」と Dalal 氏は言います。 チームはさらに難読化レイヤーを追加しました。XNUMX つの異なる銀河カタログ (XNUMX つは実数、XNUMX つはランダム値でオフセットされた数値) で分析を実行しました。 「どれが本物か分からなかったので、誰かが偶然値を見たとしても、結果が本物のカタログに基づいているかどうかはわかりませんでした」と彼女は言いました。 XNUMX 月 XNUMX 日、国際チームはズームで集まりました — 夜はプリンストンで、朝は日本と台湾で — 「盲検解除」のために。 「私たちが経験した儀式、儀式のように感じました」とシュトラウスは言いました。 「データを公開し、プロットを実行したところ、すぐにそれが素晴らしいことがわかりました。 誰もが「ああ、わあ！」と言いました。 みんなとても幸せでした。」 その夜、ダラルと彼女のルームメイトはシャンパンのボトルを開けました。

世界最大の望遠鏡カメラで大調査

HSC は、このサイズの望遠鏡で世界最大のカメラであり、現在チリのアンデスに建設中のヴェラ C. ルービン天文台が 2024 年後半に時空間のレガシー サーベイ (LSST) を開始するまで保持されます。実際、HSC からの生データは、LSST 用に設計されたソフトウェアで処理されます。 「私たちのソフトウェア パイプラインが、LSST よりもはるかに前に、これほど大量のデータを処理できることは興味深いことです」と、プリンストン大学の准研究員である Andrés Plazas 氏は述べています。 研究チームが使用した調査は、空の約 420 平方度をカバーしており、満月の 2000 個分に相当します。 それは連続した 25 つの空の塊ではなく、拳を伸ばして覆うことができるサイズの 25 つの異なる部分に分かれています。 彼らが調査した XNUMX 万の銀河は非常に遠くにあるため、HSC はこれらの銀河を現在の姿ではなく、数十億年前にどのように記録したかを記録しました。 これらの銀河のそれぞれは、数百億個の太陽の火で輝いていますが、非常に遠くにあるため、非常に暗く、肉眼で見ることができる最も暗い星よりもXNUMX万倍も暗いです. ケンブリッジ大学のシニア カブリ フェローで宇宙学者のアレクサンドラ アモン氏は、次のように述べています。この研究には関与していないトリニティカレッジの上級研究員。 「彼らの深い調査は美しいデータを生み出します。 私にとって、HSC が、他の独立した弱いレンズ調査と同様に、S の値が低いことを示していることは興味深いことです。8 — 重要な検証であり、これらの緊張と傾向が私たちを一時停止させ、そのデータが私たちの宇宙について何を語っているかを考えるように強いることは刺激的です!」

標準宇宙モデル

宇宙論の標準モデルは、いくつかの点で「驚くほど単純」であると、プリンストン大学のポスドク研究員だったときにこのプロジェクトについてダラルに​​助言したボン大学のアンドリーナ・ニコラは説明しました。 このモデルでは、宇宙は 13.8 つの基本的な構成要素のみで構成されていると仮定しています。通常の物質 (原子、主に水素とヘリウム)、暗黒物質、暗黒エネルギー、光子です。 標準モデルによると、宇宙は 5 億年前のビッグバン以来膨張してきました。最初はほぼ完全に滑らかでしたが、宇宙の微妙な変動に重力が引っ張られて構造が生じました — 暗黒物質の塊に包まれた銀河 —申込用紙へ。 現在の宇宙では、通常の物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの相対的な寄与は、約 25%、70%、および XNUMX% に加えて、光子からのわずかな寄与です。 標準モデルは、ほんの一握りの数値によって定義されます。宇宙の膨張率。 暗黒物質がどれだけ塊になっているかの尺度 (S8); 宇宙の構成要素の相対的な寄与 (上記の 5%、25%、70% の数字); 宇宙の全体的な密度; そして、大規模な宇宙の塊が小規模のそれとどのように関連しているかを説明する技術的な量。 「そして、それは基本的にそれです！」 シュトラウスは言った。 「私たち宇宙論コミュニティは、2000 年代初頭から導入されてきたこのモデルに収束しました。」 宇宙論者は、宇宙マイクロ波背景放射の変動を観察するなど、さまざまな方法でこれらの数値を制約することにより、このモデルをテストすることに熱心です (これは本質的に、最初の 400,000 年後に宇宙がどのように見えたかを捉えた、宇宙の赤ちゃんの写真です)。宇宙の歴史、比較的最近の過去における宇宙の塊の測定など。 「私たちは、初期宇宙の凝集の測定値 (CMB から測定) と銀河の時代からの測定値との間に実際の不一致があるという認識がコミュニティ内で高まっていることを確認しています。「わずか」9 億年前です。分析に関わったプリンストン大学の準研究学者アルン・カンナワディ。

五行攻撃

ダラルの研究は、いわゆるフーリエ空間解析を行っています。 並列実空間分析は、カーネギー メロン大学の Xiangchong Li によって主導されました。彼は、2000 年に物理学の学士号を取得し、博士号を取得した Rachel Mandelbaum と緊密に協力して作業しました。 2006年、両方ともプリンストン出身。 3番目の分析、いわゆる2×XNUMX点分析は、個々の銀河の周りの重力レンズ信号を測定するという異なるアプローチを取り、各銀河に関連する暗黒物質の量を較正します。 この分析は、東京大学の杉山直氏、名古屋大学の宮武博直氏（元プリンストン大学ポスドク研究員）、インドのプネにある天文・天体物理学大学間センターのスルフッド・モア氏が主導した。 これらの XNUMX つの分析セットは、それぞれ HSC データを使用して、S について同じ結論に達します。8. 実空間分析とフーリエ空間分析の両方を行うことは、「一種の健全性チェックでした」と Dalal 氏は述べています。 彼女とリーは、盲検化されたデータを使用して、分析を調整するために緊密に協力しました。 この 3 つに食い違いがあれば、研究者の方法論が間違っていたと言えます。 「それは、天体物理学についてよりも、私たちがどのように失敗したかについてより多くを教えてくれるでしょう」とダラルは言いました. 「2 つの結果が完全に同一であることは、盲検を解除するまでわかりませんでした」と彼女は言いました。 「それは奇跡を感じました。」 Sunao 氏は次のように付け加えています。 盲検を解除して初めて、私たちの結果が Roohi と Xiangchong の結果と見事に一致することがわかりました。 これらすべての分析が同じ答えを出しているという事実は、私たちが正しいことをしているという自信を与えてくれます!」

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