Hvordan se det usynlige: Bruke distribusjonen av mørk materie til å teste vår kosmologiske modell

Publisert av Platon

Følgere: 0

08. april 2023 (Nanowerk Nyheter) Det føles som et klassisk paradoks: Hvordan ser du det usynlige? Men for moderne astronomer er det en veldig reell utfordring: Hvordan måler du mørk materie, som per definisjon ikke avgir lys? Svaret: Du ser hvordan det påvirker ting du kan se. Når det gjelder mørk materie, ser astronomer hvordan lys fra fjerne galakser bøyer seg rundt den. Et internasjonalt team av astrofysikere og kosmologer har brukt det siste året på å erte ut hemmelighetene til dette unnvikende materialet, ved å bruke sofistikerte datasimuleringer og observasjonene fra et av de kraftigste astronomiske kameraene i verden, Hyper Suprime-Cam (HSC). Teamet ledes av astronomer fra Princeton University og de astronomiske samfunnene i Japan og Taiwan, ved å bruke data fra de tre første årene av HSC-himmelundersøkelsen, en bredfeltsundersøkelse utført med det 8.2 meter lange Subaru-teleskopet på toppen av Maunakea på Hawaii. Subaru drives av National Astronomical Observatory of Japan; navnet er det japanske ordet for stjernehopen vi kaller Pleiadene. Teamet presenterte funnene sine på et webinar der mer enn 200 personer deltok, og de vil dele arbeidet sitt på konferansen "Future Science with CMB x LSS" i Japan.

[Innebygd innhold]

"Vårt overordnede mål er å måle noen av de mest grunnleggende egenskapene til universet vårt," sa Roohi Dalal, en doktorgradsstudent i astrofysikk ved Princeton. "Vi vet at mørk energi og mørk materie utgjør 95 % av universet vårt, men vi forstår veldig lite om hva de faktisk er og hvordan de har utviklet seg gjennom universets historie. Klumper av mørk materie forvrenger lyset fra fjerne galakser gjennom svak gravitasjonslinse, et fenomen forutsagt av Einsteins generelle relativitetsteori. Denne forvrengningen er en veldig, veldig liten effekt; formen til en enkelt galakse er umerkelig forvrengt. Men når vi gjør den målingen for 25 millioner galakser, er vi i stand til å måle forvrengningen med ganske høy presisjon." For å hoppe til punchline: Teamet har målt en verdi for "klumpigheten" til universets mørke materie (kjent for kosmologer som "S8”) på 0.776, som stemmer overens med verdier som andre gravitasjonslinseundersøkelser har funnet ved å se på det relativt nyere universet – men det stemmer ikke overens med verdien på 0.83 avledet fra Cosmic Microwave Background, som dateres tilbake til universets opprinnelse. Gapet mellom disse to verdiene er lite, men ettersom flere og flere studier bekrefter hver av de to verdiene, ser det ikke ut til å være tilfeldig. De andre mulighetene er at det er en ennå ukjent feil eller feil i en av disse to målingene, eller den standard kosmologiske modellen er ufullstendig på en interessant måte. "Vi er fortsatt ganske forsiktige her," sa Michael Strauss, leder av Princetons avdeling for astrofysiske vitenskaper og en av lederne for HSC-teamet. "Vi sier ikke at vi nettopp har oppdaget at moderne kosmologi er helt feil, fordi, som Roohi har understreket, er effekten vi måler veldig subtil. Nå tror vi at vi har gjort målingen riktig. Og statistikken viser at det bare er én av 20 sjanser for at det bare skyldes tilfeldigheter, noe som er overbevisende, men ikke helt definitivt. Men når vi i astronomimiljøet kommer til den samme konklusjonen over flere eksperimenter, mens vi fortsetter å gjøre disse målingene, finner vi kanskje ut at det er ekte."

Denne stjernehopen, kjent som Pleiadene for vestlige astronomer, er kjent som Subaru i Japan og gir navnet sitt til det 8.2 meter store Subaru-teleskopet på toppen av Maunakea i Hawaii. Subaru drives av National Astronomical Observatory of Japan. (Bilde: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

Skjule og avdekke dataene

Ideen om at det er behov for en endring i den standard kosmologiske modellen, at det er et grunnleggende stykke kosmologi som ennå ikke er oppdaget, er en deilig fristende for noen forskere. «Vi er mennesker, og vi har preferanser. Det er derfor vi gjør det vi kaller en "blind" analyse," sa Strauss. "Forskere har blitt selvbevisste nok til å vite at vi vil forutsette oss selv, uansett hvor forsiktige vi er, med mindre vi utfører analysen vår uten å tillate oss å vite resultatene til slutten. For meg vil jeg virkelig finne noe fundamentalt nytt. Det ville vært virkelig spennende. Men fordi jeg er fordomsfull i den retningen, vil vi være veldig forsiktige med å la det påvirke enhver analyse vi gjør.» For å beskytte arbeidet mot deres skjevheter, skjulte de bokstavelig talt resultatene for seg selv og kollegene deres - måned etter måned etter måned. "Jeg jobbet med denne analysen i et år og fikk ikke se verdiene som kom ut," sa Dalal. Teamet har til og med lagt til et ekstra tilslørende lag: de kjørte analysene sine på tre forskjellige galaksekataloger, en reell og to med numeriske verdier forskjøvet av tilfeldige verdier. "Vi visste ikke hvilken av dem som var ekte, så selv om noen ved et uhell så verdiene, ville vi ikke vite om resultatene var basert på den virkelige katalogen eller ikke," sa hun. Den 16. februar samlet det internasjonale teamet seg på Zoom - om kvelden i Princeton, om morgenen i Japan og Taiwan - for å "blindet". "Det føltes som en seremoni, et ritual, som vi gikk gjennom," sa Strauss. "Vi avduket dataene og kjørte tomtene våre, umiddelbart vi så at det var flott. Alle sa: 'Å, jøss!' og alle var veldig fornøyde.» Dalal og samboeren spratt en flaske champagne den kvelden.

En kjempeundersøkelse med verdens største teleskopkamera

HSC er det største kameraet på et teleskop av sin størrelse i verden, en mantel det vil holde til Vera C. Rubin-observatoriet som for tiden er under bygging i de chilenske Andesfjellene, starter Legacy Survey of Space and Time (LSST) sent i 2024. Faktisk blir rådataene fra HSC behandlet med programvaren designet for LSST. "Det er fascinerende å se at våre programvarepipelines er i stand til å håndtere så store datamengder i god tid foran LSST," sa Andrés Plazas, en forsker ved Princeton. Undersøkelsen som forskerteamet brukte dekker omtrent 420 kvadratgrader av himmelen, omtrent tilsvarende 2000 fullmåner. Det er ikke en eneste sammenhengende del av himmelen, men delt mellom seks forskjellige stykker, hver omtrent like stor som du kan dekke med en utstrakt knyttneve. De 25 millioner galaksene de undersøkte er så fjerne at i stedet for å se disse galaksene slik de er i dag, registrerte HSC hvordan de var for milliarder av år siden. Hver av disse galaksene lyser med branner fra titalls milliarder soler, men fordi de er så langt unna, er de ekstremt svake, så mye som 25 millioner ganger svakere enn de svakeste stjernene vi kan se med det blotte øye. "Det er ekstremt spennende å se disse resultatene fra HSC-samarbeid, spesielt siden disse dataene er nærmest det vi forventer fra Rubin Observatory, som samfunnet jobber mot sammen," sa kosmolog Alexandra Amon, en senior Kavli-stipendiat ved Cambridge University og en seniorforsker ved Trinity College, som ikke var involvert i denne forskningen. "Deres dype undersøkelse gir vakre data. For meg er det spennende at HSC, i likhet med de andre uavhengige undersøkelsene med svak linse, peker på en lav verdi for S8 — Det er viktig validering og spennende at disse spenningene og trendene tvinger oss til å ta en pause og tenke på hva disse dataene forteller oss om universet vårt!»

Den standard kosmologiske modellen

Standardmodellen for kosmologi er "forbløffende enkel" på noen måter, forklarte Andrina Nicola fra University of Bonn, som ga råd til Dalal om dette prosjektet da hun var postdoktor ved Princeton. Modellen antyder at universet består av bare fire grunnleggende bestanddeler: vanlig materie (atomer, for det meste hydrogen og helium), mørk materie, mørk energi og fotoner. I følge standardmodellen har universet ekspandert siden Big Bang for 13.8 milliarder år siden: det startet nesten perfekt jevnt, men tyngdekraften på de subtile svingningene i universet har forårsaket struktur - galakser innhyllet i mørk materie klumper - å danne. I dagens univers er de relative bidragene til vanlig materie, mørk materie, mørk energi omtrent 5 %, 25 % og 70 %, pluss et lite bidrag fra fotoner. Standardmodellen er definert av bare en håndfull tall: ekspansjonshastigheten til universet; et mål på hvor klumpete den mørke materien er (S8); de relative bidragene til universets bestanddeler (5%, 25%, 70% tallene ovenfor); universets generelle tetthet; og en teknisk mengde som beskriver hvordan universets klumpete på store skalaer forholder seg til den på små skalaer. "Og det er i grunnen det!" sa Strauss. "Vi, det kosmologiske samfunnet, har konvergert på denne modellen, som har vært på plass siden tidlig på 2000-tallet." Kosmologer er ivrige etter å teste denne modellen ved å begrense disse tallene på forskjellige måter, for eksempel ved å observere svingningene i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (som i hovedsak er universets babybilde, fange hvordan det så ut etter de første 400,000 9 årene), modellere utvidelsen universets historie, som måler universets klumpete i relativt nær fortid, og andre. "Vi bekrefter en økende følelse i samfunnet om at det er et reelt avvik mellom målingen av klumping i det tidlige universet (målt fra CMB) og det fra galaksenes tid for 'bare' XNUMX milliarder år siden," sa Arun Kannawadi, en assisterende forsker ved Princeton som var involvert i analysen.

Fem angrepslinjer

Dalals arbeid gjør en såkalt Fourier-romsanalyse; en parallell virkeligromsanalyse ble ledet av Xiangchong Li fra Carnegie Mellon University, som jobbet i nært samarbeid med Rachel Mandelbaum, som fullførte sitt fysikk-AB i 2000 og sin Ph.D. i 2006, begge fra Princeton. En tredje analyse, en såkalt 3×2-punktsanalyse, tar en annen tilnærming til å måle gravitasjonslinsesignalet rundt individuelle galakser, for å kalibrere mengden mørk materie knyttet til hver galakse. Denne analysen ble ledet av Sunao Sugiyama fra University of Tokyo, Hironao Miyatake (en tidligere Princeton-postdoktor) ved Nagoya University og Surhud More fra Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics i Pune, India. Disse fem settene med analyser bruker HSC-dataene for å komme til samme konklusjon om S8. Å gjøre både real-space-analysen og Fourier-space-analysen "var en slags fornuftssjekk," sa Dalal. Hun og Li jobbet tett for å koordinere analysene deres ved å bruke blinde data. Eventuelle uoverensstemmelser mellom disse to vil si at forskernes metodikk var feil. "Det ville fortelle oss mindre om astrofysikk og mer om hvordan vi kan ha ødelagt," sa Dalal. "Vi visste ikke før unblindingen at to resultater var helt identiske," sa hun. "Det føltes mirakuløst." Sunao la til: "Vår 3×2-punktsanalyse kombinerer analysen av svak linse med klynging av galakser. Først etter avblindingen visste vi at resultatene våre var i vakker overensstemmelse med resultatene til Roohi og Xiangchong. Det at alle disse analysene gir det samme svaret gir oss tillit til at vi gjør noe riktig!»