Jak widzieć niewidzialne: wykorzystanie rozkładu ciemnej materii do testowania naszego modelu kosmologicznego

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

08 kwietnia 2023 (Wiadomości Nanowerk) Wydaje się, że to klasyczny paradoks: jak widzisz niewidzialne? Ale dla współczesnych astronomów jest to bardzo realne wyzwanie: jak zmierzyć ciemną materię, która z definicji nie emituje światła? Odpowiedź: Widzisz, jak to wpływa na rzeczy, które możesz zobaczyć. W przypadku ciemnej materii astronomowie obserwują, jak światło z odległych galaktyk załamuje się wokół niej. Międzynarodowy zespół astrofizyków i kosmologów spędził ostatni rok na odkrywaniu tajemnic tego nieuchwytnego materiału, korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych i obserwacji z jednej z najpotężniejszych kamer astronomicznych na świecie, Hyper Suprime-Cam (HSC). Zespół jest kierowany przez astronomów z Uniwersytetu Princeton oraz społeczności astronomicznych Japonii i Tajwanu, wykorzystując dane z pierwszych trzech lat przeglądu nieba HSC, szerokokątnego przeglądu obrazu przeprowadzonego za pomocą 8.2-metrowego teleskopu Subaru na szczycie Maunakea na Hawajach. Subaru jest obsługiwane przez Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii; jego nazwa to japońskie słowo oznaczające gromadę gwiazd, którą nazywamy Plejadami. Zespół zaprezentował swoje odkrycia podczas seminarium internetowego, w którym uczestniczyło ponad 200 osób, a swoją pracą podzieli się na konferencji „Future Science with CMB x LSS” w Japonii.

[Osadzone treści]

„Naszym ogólnym celem jest zmierzenie niektórych z najbardziej fundamentalnych właściwości naszego wszechświata” – powiedział Roohi Dalal, absolwent astrofizyki w Princeton. „Wiemy, że ciemna energia i ciemna materia stanowią 95% naszego wszechświata, ale bardzo niewiele wiemy o tym, czym one właściwie są i jak ewoluowały w historii wszechświata. Skupiska ciemnej materii zniekształcają światło odległych galaktyk poprzez słabe soczewkowanie grawitacyjne, zjawisko przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. To zniekształcenie jest naprawdę małym efektem; kształt pojedynczej galaktyki jest zniekształcony w niedostrzegalnym stopniu. Ale kiedy dokonamy tego pomiaru dla 25 milionów galaktyk, jesteśmy w stanie zmierzyć zniekształcenie z dość dużą precyzją”. Przechodząc do meritum: zespół zmierzył wartość „zbrylenia” ciemnej materii wszechświata (znanej kosmologom jako „S8”) wynoszącej 0.776, co zgadza się z wartościami znalezionymi przez inne badania soczewkowania grawitacyjnego, patrząc na stosunkowo niedawny Wszechświat – ale nie zgadza się z wartością 0.83 pochodzącą z Kosmicznego Mikrofalowego Tła, które sięga początków Wszechświata. Różnica między tymi dwiema wartościami jest niewielka, ale ponieważ coraz więcej badań potwierdza każdą z tych dwóch wartości, nie wydaje się, aby była przypadkowa. Inne możliwości są takie, że w jednym z tych dwóch pomiarów jest jakiś jeszcze nierozpoznany błąd lub pomyłka, albo standardowy model kosmologiczny jest niekompletny w jakiś interesujący sposób. „Wciąż tutaj jesteśmy dość ostrożni” — powiedział Michael Strauss, przewodniczący Wydziału Nauk Astrofizycznych Princeton i jeden z liderów zespołu HSC. „Nie mówimy, że właśnie odkryliśmy, że współczesna kosmologia jest całkowicie błędna, ponieważ, jak podkreślił Roohi, efekt, który mierzymy, jest bardzo subtelny. Teraz uważamy, że dokonaliśmy właściwego pomiaru. Statystyki pokazują, że istnieje tylko jedna szansa na 20, że to tylko przypadek, co jest przekonujące, ale nie do końca ostateczne. Ale kiedy my w społeczności astronomicznej dochodzimy do tego samego wniosku w wielu eksperymentach, gdy kontynuujemy te pomiary, być może odkrywamy, że to jest prawdziwe”. Plejady

Ta gromada gwiazd, znana zachodnim astronomom jako Plejady, w Japonii znana jest jako Subaru, a swoją nazwę zawdzięcza 8.2-metrowemu teleskopowi Subaru na szczycie Maunakea na Hawajach. Subaru jest obsługiwane przez Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii. (Zdjęcie: NASA, ESA, AURA/Caltech, Obserwatorium Palomar)

Ukrywanie i odkrywanie danych

Pomysł, że potrzebna jest jakaś zmiana w standardowym modelu kosmologicznym, że istnieje jeszcze jakiś fundamentalny element kosmologii do odkrycia, jest cudownie kuszący dla niektórych naukowców. „Jesteśmy istotami ludzkimi i mamy preferencje. Dlatego robimy to, co nazywamy „ślepą” analizą” – powiedział Strauss. „Naukowcy stali się na tyle samoświadomi, że wiedzą, że bez względu na to, jak bardzo będziemy ostrożni, będziemy stronniczy, chyba że przeprowadzimy naszą analizę, nie pozwalając sobie na poznanie wyników do końca. Dla mnie bardzo chciałbym znaleźć coś zasadniczo nowego. To byłoby naprawdę ekscytujące. Ale ponieważ jestem uprzedzony w tym kierunku, chcemy być bardzo ostrożni, aby nie wpłynęło to na żadną analizę, którą przeprowadzamy”. Aby chronić swoją pracę przed uprzedzeniami, dosłownie ukrywali swoje wyniki przed sobą i swoimi współpracownikami — miesiąc po miesiącu. „Pracowałem nad tą analizą przez rok i nie widziałem wartości, które wychodziły” – powiedział Dalal. Zespół dodał nawet dodatkową warstwę zaciemniającą: przeprowadzili analizy na trzech różnych katalogach galaktyk, jednym rzeczywistym i dwóch z wartościami liczbowymi przesuniętymi o wartości losowe. „Nie wiedzieliśmy, który z nich jest prawdziwy, więc nawet gdyby ktoś przypadkowo zobaczył wartości, nie wiedzielibyśmy, czy wyniki były oparte na prawdziwym katalogu, czy nie” – powiedziała. 16 lutego międzynarodowy zespół zebrał się na Zoomie — wieczorem w Princeton, rano w Japonii i na Tajwanie — na „odślepienie”. „To było jak ceremonia, rytuał, przez który przeszliśmy” – powiedział Strauss. „Ujawniliśmy dane i przeprowadziliśmy nasze wykresy, od razu zobaczyliśmy, że jest świetny. Wszyscy poszli: „Och, uff!” i wszyscy byli bardzo szczęśliwi”. Dalal i jej współlokatorka otworzyli tego wieczoru butelkę szampana.

Ogromna ankieta z największą na świecie kamerą teleskopową

HSC to największa kamera na teleskopie tej wielkości na świecie, płaszcz, który utrzyma, dopóki Obserwatorium Vera C. Rubin, które jest obecnie budowane w Andach Chilijskich, nie rozpocznie badania Legacy Survey of Space and Time (LSST) pod koniec 2024 roku. W rzeczywistości surowe dane z HSC są przetwarzane za pomocą oprogramowania zaprojektowanego dla LSST. „Fascynujące jest to, że nasze potoki oprogramowania są w stanie obsłużyć tak duże ilości danych na długo przed LSST” — powiedział Andrés Plazas, pracownik naukowy z Princeton. Badanie, z którego korzystał zespół badawczy, obejmuje około 420 stopni kwadratowych nieba, co odpowiada około 2000 pełni księżyca. To nie jest pojedynczy ciągły kawałek nieba, ale podzielony na sześć różnych kawałków, każdy o rozmiarze, który mógłbyś pokryć wyciągniętą pięścią. 25 milionów galaktyk, które zbadali, jest tak odległych, że zamiast widzieć je takimi, jakimi są dzisiaj, HSC zarejestrował, jak wyglądały miliardy lat temu. Każda z tych galaktyk świeci ogniem dziesiątek miliardów słońc, ale ponieważ są tak daleko, są bardzo słabe, aż 25 milionów razy słabsze niż najsłabsze gwiazdy, które możemy zobaczyć gołym okiem. „To niezwykle ekscytujące widzieć te wyniki współpracy HSC, zwłaszcza, że dane te są najbliższe temu, czego oczekujemy od Rubin Observatory, nad którym społeczność pracuje razem” – powiedziała kosmolog Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow na Uniwersytecie Cambridge i naukowiec starszy badacz w Trinity College, który nie był zaangażowany w te badania. „Ich dogłębna ankieta zapewnia piękne dane. Dla mnie intrygujące jest to, że HSC, podobnie jak inne niezależne badania słabego soczewkowania, wskazują na niską wartość dla S8 — to ważne potwierdzenie i ekscytujące, że te napięcia i trendy zmuszają nas do zatrzymania się i zastanowienia nad tym, co te dane mówią nam o naszym Wszechświecie!

Standardowy model kosmologiczny

Standardowy model kosmologii jest pod pewnymi względami „zdumiewająco prosty”, wyjaśniła Andrina Nicola z Uniwersytetu w Bonn, która doradzała Dalal w tym projekcie, gdy była doktorem habilitowanym w Princeton. Model zakłada, że wszechświat składa się tylko z czterech podstawowych składników: zwykłej materii (atomów, głównie wodoru i helu), ciemnej materii, ciemnej energii i fotonów. Zgodnie z modelem standardowym Wszechświat rozszerza się od Wielkiego Wybuchu 13.8 miliarda lat temu: zaczęło się prawie idealnie gładko, ale przyciąganie grawitacyjne subtelnych fluktuacji we Wszechświecie spowodowało powstanie struktury — galaktyki otoczone skupiskami ciemnej materii — kształtować. We współczesnym wszechświecie względny udział zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii wynosi około 5%, 25% i 70% plus niewielki udział fotonów. Model standardowy jest zdefiniowany tylko przez kilka liczb: tempo rozszerzania się wszechświata; miarą tego, jak zbita jest ciemna materia (S8); względny wkład składników wszechświata (liczby 5%, 25%, 70% powyżej); ogólna gęstość wszechświata; oraz wielkość techniczna opisująca, w jaki sposób zbrylenie wszechświata w dużych skalach odnosi się do tego w małych skalach. “I to w zasadzie wszystko!” — powiedział Strauss. „My, społeczność kosmologów, zbiegliśmy się w tym modelu, który obowiązuje od początku XXI wieku”. Kosmologowie chętnie testują ten model, ograniczając te liczby na różne sposoby, na przykład obserwując fluktuacje kosmicznego mikrofalowego tła (które w istocie jest dziecięcym obrazem wszechświata, ukazującym, jak wyglądał on po pierwszych 2000 400,000 lat), modelując ekspansję historia wszechświata, pomiar zbitości wszechświata w stosunkowo niedawnej przeszłości i inne. „Potwierdzamy rosnące poczucie społeczności, że istnieje prawdziwa rozbieżność między pomiarami zlepiania się we wczesnym wszechświecie (mierzonym z CMB) a pomiarami z epoki galaktyk, „zaledwie” 9 miliardów lat temu”, powiedział Arun Kannawadi, pracownik naukowy z Princeton, który był zaangażowany w analizę.

Pięć linii ataku

Praca Dalala zawiera tak zwaną analizę przestrzeni Fouriera; równoległą analizę przestrzeni rzeczywistej prowadził Xiangchong Li z Carnegie Mellon University, który ściśle współpracował z Rachel Mandelbaum, która ukończyła fizykę AB w 2000 r. i doktorat. w 2006, obaj z Princeton. Trzecia analiza, tak zwana analiza 3×2-punktowa, wykorzystuje inne podejście do pomiaru sygnału soczewkowania grawitacyjnego wokół poszczególnych galaktyk, aby skalibrować ilość ciemnej materii związanej z każdą galaktyką. Analizę tę przeprowadzili Sunao Sugiyama z Uniwersytetu Tokijskiego, Hironao Miyatake (były doktor habilitowany z Princeton) z Uniwersytetu Nagoya i Surhud More z Międzyuczelnianego Centrum Astronomii i Astrofizyki w Pune w Indiach. Każdy z tych pięciu zestawów analiz wykorzystuje dane HSC, aby dojść do tego samego wniosku na temat S8. Wykonanie zarówno analizy w przestrzeni rzeczywistej, jak i analizy w przestrzeni Fouriera „było swego rodzaju sprawdzeniem poczytalności” – powiedział Dalal. Ona i Li ściśle współpracowali, aby skoordynować swoje analizy, używając zaślepionych danych. Wszelkie rozbieżności między tymi dwoma oznaczałyby, że metodologia badaczy była błędna. „Powiedziałoby nam to mniej o astrofizyce, a więcej o tym, jak mogliśmy schrzanić” – powiedział Dalal. „Nie wiedzieliśmy, aż do ujawnienia, że dwa wyniki były identyczne” – powiedziała. „Czułem się cudownie”. Sunao dodał: „Nasza analiza 3×2-punktowa łączy analizę słabego soczewkowania z gromadzeniem się galaktyk. Dopiero po odślepieniu wiedzieliśmy, że nasze wyniki wspaniale zgadzają się z wynikami Roohi i Xiangchong. Fakt, że wszystkie te analizy dają tę samą odpowiedź, daje nam pewność, że robimy coś dobrze!”