보이지 않는 것을 보는 방법: 우주 모델을 테스트하기 위해 암흑 물질 분포 사용

플라톤에 의해 재발행

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08년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 고전적인 역설처럼 느껴집니다. 보이지 않는 것을 어떻게 봅니까? 그러나 현대 천문학자들에게 그것은 매우 현실적인 도전입니다. 정의에 따라 빛을 방출하지 않는 암흑 물질을 어떻게 측정합니까? 대답: 당신이 볼 수 있는 것에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있습니다. 암흑 물질의 경우 천문학자들은 멀리 떨어진 은하계에서 오는 빛이 암흑 물질 주변에서 휘어지는 것을 관찰합니다. 천체물리학자와 우주론자로 구성된 국제 팀은 지난 8.2년 동안 정교한 컴퓨터 시뮬레이션과 세계에서 가장 강력한 천문학 카메라 중 하나인 HSC(Hyper Supreme-Cam)의 관측을 사용하여 이 애매한 물질의 비밀을 밝혀냈습니다. 이 팀은 프린스턴 대학의 천문학자들과 일본과 대만의 천문 공동체가 이끌고 있으며, HSC 하늘 조사의 처음 200년 동안의 데이터를 사용합니다. 하와이의 마우나케아. Subaru는 일본 국립 천문대에서 운영합니다. 그 이름은 우리가 플레이아데스라고 부르는 성단을 가리키는 일본어입니다. 팀은 XNUMX명 이상이 참석한 웨비나에서 연구 결과를 발표했으며 일본에서 열리는 "Future Science with CMB x LSS" 컨퍼런스에서 연구 결과를 공유할 예정입니다.

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"우리의 전반적인 목표는 우리 우주의 가장 기본적인 속성 중 일부를 측정하는 것입니다."라고 Princeton의 천체 물리학 대학원생인 Roohi Dalal은 말했습니다. “우리는 암흑 에너지와 암흑 물질이 우리 우주의 95%를 구성한다는 것을 알고 있지만 그들이 실제로 무엇이며 우주 역사에서 어떻게 진화했는지에 대해서는 거의 이해하지 못합니다. 암흑 물질 덩어리는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 현상인 약한 중력 렌즈 현상을 통해 먼 은하계의 빛을 왜곡시킵니다. 이 왜곡은 정말 아주 작은 효과입니다. 단일 은하의 모양이 감지할 수 없을 정도로 왜곡됩니다. 그러나 우리가 25만 개의 은하에 대해 그러한 측정을 할 때 상당히 높은 정밀도로 왜곡을 측정할 수 있습니다.” 본론으로 넘어가자면, 팀은 우주의 암흑 물질의 "덩어리"에 대한 값을 측정했습니다(우주론자들에게 "S"로 알려짐).8”) 0.776으로, 다른 중력렌즈 조사에서 비교적 최근 우주를 관찰하면서 발견한 값과 일치하지만 우주의 기원으로 거슬러 올라가는 우주 마이크로파 배경에서 파생된 0.83 값과는 일치하지 않습니다. 이 두 값 사이의 차이는 작지만, 점점 더 많은 연구가 두 값 각각을 확인함에 따라 우연한 것으로 보이지 않습니다. 다른 가능성은 이 두 가지 측정 중 하나에 아직 인식되지 않은 오류나 오류가 있거나 표준 우주 모델이 흥미로운 방식으로 불완전하다는 것입니다. HSC 팀의 리더 중 한 명인 프린스턴 천체물리과학과장인 마이클 스트라우스(Michael Strauss)는 "우리는 여전히 여기에서 상당히 조심하고 있다"고 말했다. “우리는 현대 우주론이 완전히 틀렸다는 것을 방금 발견했다고 말하는 것이 아닙니다. Roohi가 강조한 것처럼 우리가 측정하고 있는 효과는 매우 미묘하기 때문입니다. 이제 우리는 측정을 올바르게 수행했다고 생각합니다. 그리고 통계에 따르면 그것이 단지 우연에 의한 것일 가능성은 20분의 XNUMX에 불과합니다. 이는 설득력이 있지만 완전히 결정적이지는 않습니다. 그러나 천문학계에 속한 우리가 여러 실험을 통해 동일한 결론에 도달하고 이러한 측정을 계속하면서 아마도 그것이 진짜라는 것을 알게 될 것입니다.” Pleiades

서양 천문학자들에게 플레이아데스로 알려진 이 성단은 일본에서는 스바루로 알려져 있으며 하와이 마우나케아 정상에 있는 8.2미터 스바루 망원경에 그 이름을 붙였습니다. Subaru는 일본 국립 천문대에서 운영합니다. (이미지: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

데이터 숨기기 및 밝히기

표준 우주론 모델에 약간의 변화가 필요하다는 생각, 아직 발견되지 않은 근본적인 우주론 조각이 있다는 생각은 일부 과학자들에게 매우 매력적입니다. “우리는 인간이고 선호도가 있습니다. 이것이 바로 우리가 '맹검' 분석이라고 부르는 것을 수행하는 이유입니다.”라고 Strauss는 말했습니다. “과학자들은 우리가 끝까지 결과를 알도록 허용하지 않고 분석을 수행하지 않으면 우리가 아무리 조심해도 우리 자신을 편향시킬 것이라는 것을 충분히 자각하게 되었습니다. 저에게는 근본적으로 새로운 것을 찾고 싶습니다. 그것은 정말 흥미로울 것입니다. 그러나 나는 그 방향에 편견이 있기 때문에 우리가 하는 모든 분석에 그것이 영향을 미치지 않도록 매우 조심하고 싶습니다.” 그들의 편견으로부터 그들의 작업을 보호하기 위해 그들은 문자 그대로 그들의 결과를 그들 자신과 동료들에게 숨겼습니다. Dalal은 "16년 동안 이 분석 작업을 했지만 결과가 나오지 않았습니다."라고 말했습니다. 팀은 추가 난독화 레이어를 추가했습니다. 세 개의 서로 다른 은하 카탈로그(하나는 실제이고 두 개는 무작위 값으로 오프셋된 숫자 값)에 대한 분석을 실행했습니다. "우리는 그들 중 어느 것이 진짜인지 몰랐기 때문에 누군가 우연히 값을 본 경우에도 결과가 실제 카탈로그를 기반으로 하는지 여부를 알 수 없었습니다."라고 그녀는 말했습니다. XNUMX월 XNUMX일, 국제 팀은 "눈가림 해제"를 위해 저녁에는 Princeton에서, 아침에는 일본과 대만에서 Zoom에 모였습니다. Strauss는 "우리가 겪은 의식, 의례처럼 느껴졌습니다."라고 말했습니다. “우리는 데이터를 공개하고 플롯을 실행했는데 즉시 훌륭하다는 것을 알았습니다. 모두가 '오, 휴!' 모두가 매우 행복했습니다.” Dalal과 그녀의 룸메이트는 그날 밤 샴페인을 터뜨렸습니다.

세계 최대의 망원경 카메라를 이용한 대규모 조사

HSC는 세계에서 그 크기의 망원경 중 가장 큰 카메라로 칠레 안데스 산맥에 현재 건설 중인 Vera C. Rubin Observatory가 2024년 후반에 LSST(Legacy Survey of Space and Time)를 시작할 때까지 버틸 것입니다. 실제로 HSC의 원시 데이터는 LSST용으로 설계된 소프트웨어로 처리됩니다. Princeton의 연구 부교수인 Andrés Plazas는 "우리의 소프트웨어 파이프라인이 LSST보다 훨씬 앞서서 이렇게 많은 양의 데이터를 처리할 수 있다는 사실이 놀랍습니다."라고 말했습니다. 연구팀이 사용한 측량은 하늘의 약 420평방도, 즉 보름달 2000개에 해당합니다. 그것은 하나의 인접한 하늘 덩어리가 아니라 25개의 서로 다른 조각으로 나뉘며 각각은 주먹을 펴서 덮을 수 있는 크기입니다. 그들이 조사한 25만 개의 은하가 너무 멀리 떨어져 있어서 HSC는 오늘날의 은하를 보는 대신 수십억 년 전의 모습을 기록했습니다. 이 은하들은 각각 수백억 개의 태양의 불꽃으로 빛나지만 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 육안으로 볼 수 있는 가장 희미한 별보다 XNUMX천XNUMX백만 배나 더 희미합니다. 케임브리지 대학의 선임 카블리 펠로우이자 우주론자 알렉산드라 아몬(Alexandra Amon)은 “HSC 협업에서 이러한 결과를 보는 것은 매우 흥미롭다. 이 연구에 참여하지 않은 Trinity College의 선임 연구원. “그들의 심층 조사는 아름다운 데이터를 만듭니다. 저에게는 HSC가 다른 독립적인 약한 렌즈 조사와 마찬가지로 S에 대한 낮은 값을 가리키는 것이 흥미로웠습니다.8 — 이러한 긴장과 경향이 우리를 잠시 멈추고 그 데이터가 우리 우주에 대해 알려주는 것에 대해 생각하게 만드는 것은 중요한 검증이자 흥미진진한 일입니다!”

표준 우주론 모델

우주론의 표준 모델은 어떤 면에서 "놀라울 정도로 단순하다"고 Dalal이 Princeton에서 박사후 연구원이었을 때 이 프로젝트에 대해 조언한 Bonn 대학의 Andrina Nicola는 설명했습니다. 이 모델은 우주가 일반 물질(원자, 대부분 수소 및 헬륨), 암흑 물질, 암흑 에너지 및 광자의 네 가지 기본 구성 요소로만 구성되어 있다고 가정합니다. 표준 모델에 따르면, 우주는 13.8억 년 전 빅뱅 이후로 팽창하고 있습니다. 우주는 거의 완벽하게 순조롭게 시작되었지만 우주의 미묘한 요동에 대한 중력의 끌어당김으로 인해 은하계가 암흑 물질 덩어리로 둘러싸인 구조가 발생했습니다. 형성. 현재 우주에서 일반 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지의 상대적인 기여도는 약 5%, 25% 및 70%이며 광자로부터의 작은 기여도입니다. 표준 모델은 소수의 숫자로만 정의됩니다. 우주의 팽창률; 암흑 물질이 얼마나 뭉쳐 있는지에 대한 척도(S8); 우주 구성 요소의 상대적 기여도(위의 5%, 25%, 70% 숫자) 우주의 전체 밀도; 큰 규모의 우주 덩어리가 작은 규모의 덩어리와 어떻게 관련되는지 설명하는 기술적인 양입니다. "그리고 기본적으로 그게 전부입니다!" 스트라우스가 말했다. "우리 우주론 공동체는 2000년대 초부터 자리 잡은 이 모델에 수렴했습니다." 우주론자들은 우주 마이크로파 배경(본질적으로 우주의 초기 400,000년 후 모습을 캡처한 우주의 아기 사진)의 변동을 관찰하고 확장을 모델링하는 등 다양한 방법으로 이러한 숫자를 제한함으로써 이 모델을 테스트하기를 열망하고 있습니다. 우주의 역사, 비교적 최근 과거의 우주 덩어리 측정 등. "우리는 초기 우주(CMB에서 측정)의 응집 측정과 '고작' 9억 년 전 은하 시대의 측정 사이에 실질적인 불일치가 있다는 커뮤니티의 인식이 커지고 있음을 확인하고 있습니다."라고 말했습니다. 분석에 참여한 Princeton의 부연구 학자 Arun Kannawadi.

다섯 줄의 공격

Dalal의 작업은 소위 푸리에 공간 분석을 수행합니다. 병렬 실제 공간 분석은 2000년에 물리학 AB를 마치고 박사 학위를 취득한 Rachel Mandelbaum과 긴밀히 협력한 Carnegie Mellon University의 Xiangchong Li가 이끌었습니다. 2006년에 둘 다 Princeton에서 왔습니다. 세 번째 분석인 소위 3×2 포인트 분석은 각 은하와 관련된 암흑 물질의 양을 보정하기 위해 개별 은하 주변의 중력 렌즈 신호를 측정하는 다른 접근 방식을 취합니다. 이 분석은 도쿄 대학의 스기야마 스나오, 나고야 대학의 미야타케 히로나오(전 프린스턴 박사후 연구원), 인도 푸네에 있는 천문학 및 천체물리학 대학 간 센터의 수르후드 모어가 주도했습니다. 이 다섯 가지 분석 세트는 각각 HSC 데이터를 사용하여 S에 대해 동일한 결론에 도달합니다.8. 실제 공간 분석과 푸리에 공간 분석을 모두 수행하는 것은 "일종의 건전성 검사"라고 Dalal은 말했습니다. 그녀와 Li는 블라인드 데이터를 사용하여 분석을 조정하기 위해 긴밀히 협력했습니다. 이 둘 사이의 불일치는 연구원의 방법론이 잘못되었음을 나타냅니다. Dalal은 "천체 물리학에 대한 정보보다는 우리가 어떻게 망쳤는지에 대해 더 많이 알려줄 것"이라고 말했습니다. "우리는 두 개의 결과가 완전히 동일하다는 것을 눈가림이 해제될 때까지 알지 못했습니다."라고 그녀는 말했습니다. “기적적으로 느껴졌습니다.” Sunao는 다음과 같이 덧붙였습니다. 눈가림을 해제한 후에야 우리의 결과가 Roohi 및 Xiangchong의 결과와 아름답게 일치한다는 것을 알았습니다. 이러한 모든 분석이 동일한 답을 제공한다는 사실은 우리가 제대로 하고 있다는 확신을 줍니다!”