Hoe we het onzichtbare kunnen zien: de distributie van donkere materie gebruiken om ons kosmologische model te testen

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

08 april 2023 (Nanowerk Nieuws) Het voelt als een klassieke paradox: hoe zie je het onzichtbare? Maar voor moderne astronomen is het een heel reële uitdaging: hoe meet je donkere materie, die per definitie geen licht uitstraalt? Het antwoord: je ziet hoe het de dingen beïnvloedt die je kunt zien. In het geval van donkere materie kijken astronomen hoe licht van verre sterrenstelsels eromheen buigt. Een internationaal team van astrofysici en kosmologen heeft het afgelopen jaar de geheimen van dit ongrijpbare materiaal ontsluierd, met behulp van geavanceerde computersimulaties en de waarnemingen van een van de krachtigste astronomische camera's ter wereld, de Hyper Suprime-Cam (HSC). Het team wordt geleid door astronomen van Princeton University en de astronomische gemeenschappen van Japan en Taiwan, waarbij gebruik wordt gemaakt van gegevens uit de eerste drie jaar van de HSC Sky Survey, een groothoekonderzoek uitgevoerd met de 8.2 meter lange Subaru-telescoop op de top van de hemel. Maunakea op Hawaï. Subaru wordt beheerd door het National Astronomical Observatory van Japan; de naam ervan is het Japanse woord voor de sterrenhoop die wij de Pleiaden noemen. Het team presenteerde hun bevindingen tijdens een webinar dat werd bijgewoond door meer dan 200 mensen, en zij zullen hun werk delen op de conferentie ‘Future Science with CMB x LSS’ in Japan.

[Ingesloten inhoud]

“Ons algemene doel is om enkele van de meest fundamentele eigenschappen van ons universum te meten”, zegt Roohi Dalal, een afgestudeerde student astrofysica aan Princeton. “We weten dat donkere energie en donkere materie 95% van ons universum uitmaken, maar we begrijpen heel weinig over wat ze eigenlijk zijn en hoe ze zich in de loop van de geschiedenis van het universum hebben ontwikkeld. Klonten donkere materie vervormen het licht van verre sterrenstelsels door zwakke zwaartekrachtlenswerking, een fenomeen dat voorspeld wordt door Einsteins Algemene Relativiteitstheorie. Deze vervorming is een heel, heel klein effect; de vorm van een enkel sterrenstelsel wordt in een onmerkbare mate vervormd. Maar als we die meting doen voor 25 miljoen sterrenstelsels, kunnen we de vervorming met vrij hoge precisie meten.” Om met de kern van de zaak te komen: het team heeft een waarde gemeten voor de “klontigheid” van de donkere materie van het universum (bij kosmologen bekend als “S8”) van 0.776, wat overeenkomt met waarden die andere zwaartekrachtlensonderzoeken hebben gevonden bij het kijken naar het relatief recente universum – maar het komt niet overeen met de waarde van 0.83 afgeleid van de kosmische microgolfachtergrond, die teruggaat tot de oorsprong van het universum. De kloof tussen deze twee waarden is klein, maar aangezien steeds meer onderzoeken elk van de twee waarden bevestigen, lijkt dit niet toevallig te zijn. De andere mogelijkheden zijn dat er een nog niet herkende fout of vergissing in een van deze twee metingen zit, of dat het standaard kosmologische model op een interessante manier onvolledig is. "We zijn hier nog steeds redelijk voorzichtig", zegt Michael Strauss, voorzitter van Princeton's Department of Astrophysical Sciences en een van de leiders van het HSC-team. “We zeggen niet dat we zojuist hebben ontdekt dat de moderne kosmologie helemaal verkeerd is, omdat, zoals Roohi heeft benadrukt, het effect dat we meten heel subtiel is. Nu denken we dat we de meting goed hebben gedaan. En de statistieken laten zien dat er slechts een kans van één op twintig is dat het puur toeval is, wat overtuigend is maar niet helemaal definitief. Maar omdat wij in de astronomiegemeenschap na meerdere experimenten tot dezelfde conclusie komen, en als we deze metingen blijven doen, ontdekken we misschien dat het echt is.” Pleiades

Deze sterrenhoop, bij westerse astronomen bekend als de Pleiaden, staat in Japan bekend als Subaru en dankt zijn naam aan de 8.2 meter lange Subaru-telescoop op de top van Maunakea op Hawaï. Subaru wordt beheerd door het National Astronomical Observatory van Japan. (Afbeelding: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatorium)

Het verbergen en blootleggen van de gegevens

Het idee dat er enige verandering nodig is in het standaard kosmologische model, dat er een fundamenteel stukje kosmologie nog ontdekt moet worden, is voor sommige wetenschappers heerlijk verleidelijk. “Wij zijn mensen en we hebben voorkeuren. Daarom doen we wat wij een 'geblindeerde' analyse noemen', zei Strauss. “Wetenschappers zijn zelfbewust genoeg geworden om te weten dat we onszelf zullen bevooroordelen, hoe voorzichtig we ook zijn, tenzij we onze analyse uitvoeren zonder onszelf de resultaten tot het einde toe te laten weten. Wat mij betreft zou ik heel graag iets fundamenteel nieuws willen ontdekken. Dat zou echt spannend zijn. Maar omdat ik op dat gebied bevooroordeeld ben, willen we er heel voorzichtig mee zijn dat dit geen invloed heeft op onze analyses.” Om hun werk tegen hun vooroordelen te beschermen, verborgen ze letterlijk hun resultaten voor zichzelf en hun collega’s – maand na maand na maand. “Ik heb een jaar aan deze analyse gewerkt, maar ik kon de waarden die eruit kwamen niet zien”, zegt Dalal. Het team voegde zelfs een extra verduisterende laag toe: ze voerden hun analyses uit op drie verschillende catalogi van sterrenstelsels, één reëel en twee met numerieke waarden gecompenseerd door willekeurige waarden. "We wisten niet welke ervan echt was, dus zelfs als iemand per ongeluk de waarden zou zien, zouden we niet weten of de resultaten gebaseerd waren op de echte catalogus of niet", zei ze. Op 16 februari kwam het internationale team bijeen op Zoom – ‘s avonds in Princeton, ‘s ochtends in Japan en Taiwan – voor het ‘ontblinden’. “Het voelde als een ceremonie, een ritueel waar we doorheen gingen”, zei Strauss. “We onthulden de gegevens en voerden onze plots uit. We zagen meteen dat het geweldig was. Iedereen zei: 'Oh, wauw!' en iedereen was heel blij.” Dalal en haar kamergenoot dronken die avond een fles champagne.

Een enorm onderzoek met 's werelds grootste telescoopcamera

HSC is de grootste camera op een telescoop van zijn omvang ter wereld, een mantel die hij zal vasthouden totdat het Vera C. Rubin Observatorium dat momenteel in aanbouw is in de Chileense Andes, eind 2024 begint met de Legacy Survey of Space and Time (LSST). Sterker nog, de ruwe data van HSC worden verwerkt met de voor LSST ontworpen software. “Het is fascinerend om te zien dat onze softwarepijplijnen zulke grote hoeveelheden data kunnen verwerken, ruim vóór LSST”, zegt Andrés Plazas, universitair hoofddocent aan Princeton. Het onderzoek dat het onderzoeksteam gebruikte beslaat ongeveer 420 vierkante graden van de hemel, ongeveer het equivalent van 2000 volle manen. Het is niet één aaneengesloten stuk lucht, maar verdeeld over zes verschillende stukken, elk ongeveer zo groot als je zou kunnen bedekken met een uitgestrekte vuist. De 25 miljoen sterrenstelsels die ze hebben onderzocht, staan zo ver weg dat de HSC, in plaats van deze sterrenstelsels te zien zoals ze nu zijn, registreerde hoe ze er miljarden jaren geleden uitzagen. Elk van deze sterrenstelsels gloeit met het vuur van tientallen miljarden zonnen, maar omdat ze zo ver weg staan, zijn ze extreem zwak: wel 25 miljoen keer zwakker dan de zwakste sterren die we met het blote oog kunnen zien. “Het is buitengewoon opwindend om deze resultaten te zien uit de HSC-samenwerking, vooral omdat deze gegevens het dichtst in de buurt komen van wat we verwachten van het Rubin Observatory, waar de gemeenschap samen naartoe werkt”, zegt kosmoloog Alexandra Amon, een Senior Kavli Fellow aan de Universiteit van Cambridge en een senior onderzoeker aan het Trinity College, die niet betrokken was bij dit onderzoek. “Hun diepgaand onderzoek levert prachtige gegevens op. Voor mij is het intrigerend dat HSC, net als de andere onafhankelijke onderzoeken naar zwakke lenzen, wijzen op een lage waarde voor S8 – het is een belangrijke bevestiging en opwindend dat deze spanningen en trends ons dwingen om even stil te staan en na te denken over wat die gegevens ons vertellen over ons universum!”

Het standaard kosmologische model

Het standaardmodel van de kosmologie is in sommige opzichten ‘verbazingwekkend eenvoudig’, legt Andrina Nicola van de Universiteit van Bonn uit, die Dalal bij dit project adviseerde toen ze postdoctoraal onderzoeker was aan Princeton. Het model stelt dat het universum uit slechts vier basisbestanddelen bestaat: gewone materie (atomen, voornamelijk waterstof en helium), donkere materie, donkere energie en fotonen. Volgens het standaardmodel is het heelal sinds de oerknal van 13.8 miljard jaar geleden aan het uitdijen: het begon vrijwel volkomen soepel, maar de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op de subtiele fluctuaties in het heelal heeft structuur veroorzaakt – sterrenstelsels gehuld in klonten donkere materie – vormen. In het huidige heelal bedragen de relatieve bijdragen van gewone materie, donkere materie en donkere energie ongeveer 5%, 25% en 70%, plus een kleine bijdrage van fotonen. Het standaardmodel wordt gedefinieerd door slechts een handvol getallen: de uitdijingssnelheid van het universum; een maatstaf voor hoe klonterig de donkere materie is (S8); de relatieve bijdragen van de bestanddelen van het universum (de 5%, 25%, 70% getallen hierboven); de algehele dichtheid van het universum; en een technische grootheid die beschrijft hoe de klontigheid van het universum op grote schaal zich verhoudt tot die op kleine schaal. “En dat is het eigenlijk!” zei Strauss. “Wij, de kosmologische gemeenschap, zijn samengekomen op dit model, dat al sinds het begin van de jaren 2000 bestaat.” Kosmologen willen dit model graag testen door deze aantallen op verschillende manieren te beperken, bijvoorbeeld door de fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond te observeren (wat in wezen het babybeeld van het universum is, waarin wordt vastgelegd hoe het er na de eerste 400,000 jaar uitzag), en door de uitdijing te modelleren. geschiedenis van het universum, het meten van de klonterigheid van het universum in het relatief recente verleden, en andere. “We bevestigen een groeiend besef in de gemeenschap dat er een echte discrepantie bestaat tussen de meting van klontering in het vroege heelal (gemeten vanaf de CMB) en die uit het tijdperk van sterrenstelsels, ‘slechts’ 9 miljard jaar geleden”, zegt Arun Kannawadi, een universitair hoofdonderzoeker aan Princeton die bij de analyse betrokken was.

Vijf aanvalslinies

Dalals werk voert een zogenaamde Fourier-ruimteanalyse uit; een parallelle analyse van de echte ruimte werd geleid door Xiangchong Li van de Carnegie Mellon Universiteit, die nauw samenwerkte met Rachel Mandelbaum, die haar natuurkunde AB in 2000 voltooide en haar Ph.D. in 2006, beide uit Princeton. Een derde analyse, een zogenaamde 3x2-puntsanalyse, hanteert een andere benadering door het zwaartekrachtlenssignaal rond individuele sterrenstelsels te meten, om de hoeveelheid donkere materie die bij elk sterrenstelsel hoort te kalibreren. Die analyse werd geleid door Sunao Sugiyama van de Universiteit van Tokio, Hironao Miyatake (een voormalig postdoctoraal onderzoeker uit Princeton) van de Universiteit van Nagoya en Surhud More van het Interuniversitair Centrum voor Astronomie en Astrofysica in Pune, India. Deze vijf reeksen analyses gebruiken elk de HSC-gegevens om tot dezelfde conclusie te komen over S8. Het uitvoeren van zowel de analyse van de reële ruimte als de analyse van de Fourier-ruimte ‘was een soort geestelijke controle’, zei Dalal. Zij en Li werkten nauw samen om hun analyses te coördineren, met behulp van geblindeerde gegevens. Eventuele discrepanties tussen deze twee zouden erop wijzen dat de methodologie van de onderzoekers verkeerd was. “Het zou ons minder vertellen over astrofysica en meer over hoe we het misschien verprutst hebben,” zei Dalal. "Tot het opheffen van de blindering wisten we pas dat twee resultaten vrijwel identiek waren," zei ze. “Het voelde wonderbaarlijk.” Sunao voegde hieraan toe: “Onze 3×2-puntsanalyse combineert de zwakke lensanalyse met de clustering van sterrenstelsels. Pas na het ontblinden wisten we dat onze resultaten prachtig overeenkwamen met die van Roohi en Xiangchong. Het feit dat al deze analyses hetzelfde antwoord geven, geeft ons het vertrouwen dat we iets goed doen!”