Cum să vedeți invizibilul: folosirea distribuției materiei întunecate pentru a testa modelul nostru cosmologic

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

08 apr 2023 (Știri Nanowerk) It feels like a classical paradox: How do you see the invisible? But for modern astronomers, it is a very real challenge: How do you measure dark matter, which by definition emits no light? The answer: You see how it impacts things that you can see. In the case of dark matter, astronomers watch how light from distant galaxies bends around it. An international team of astrophysicists and cosmologists have spent the past year teasing out the secrets of this elusive material, using sophisticated computer simulations and the observations from the one of the most powerful astronomical cameras in the world, the Hyper Suprime-Cam (HSC). The team is led by astronomers from Princeton University and the astronomical communities of Japan and Taiwan, using data from the first three years of the HSC sky survey, a wide-field imaging survey carried out with the 8.2-meter Subaru telescope on the summit of Maunakea in Hawai’i. Subaru is operated by the National Astronomical Observatory of Japan; its name is the Japanese word for the cluster of stars we call the Pleiades. The team presented their findings at a webinar attended by more than 200 people, and they will share their work at the “Future Science with CMB x LSS” conference in Japan.

[Conținutul încorporat]

„Obiectivul nostru general este de a măsura unele dintre cele mai fundamentale proprietăți ale universului nostru”, a spus Roohi Dalal, un student absolvent în astrofizică la Princeton. „Știm că energia întunecată și materia întunecată alcătuiesc 95% din universul nostru, dar înțelegem foarte puține despre ce sunt ele de fapt și cum au evoluat de-a lungul istoriei universului. Aglomerări de materie întunecată distorsionează lumina galaxiilor îndepărtate printr-o lentilă gravitațională slabă, un fenomen prezis de Teoria Generală a Relativității a lui Einstein. Această distorsiune este un efect foarte, foarte mic; forma unei singure galaxii este distorsionată de o cantitate imperceptibilă. Dar când facem acea măsurătoare pentru 25 de milioane de galaxii, suntem capabili să măsurăm distorsiunea cu o precizie destul de mare.” Pentru a trece la punctul de vedere: echipa a măsurat o valoare pentru „aglomerația” materiei întunecate din univers (cunoscută de cosmologi ca „S8”) de 0.776, care se aliniază cu valorile pe care alte studii cu lentile gravitaționale le-au găsit în privința universului relativ recent – dar nu se aliniază cu valoarea de 0.83 derivată din fundalul cosmic cu microunde, care datează de la originile universului. Diferența dintre aceste două valori este mică, dar pe măsură ce din ce în ce mai multe studii confirmă fiecare dintre cele două valori, nu pare a fi accidental. Celelalte posibilități sunt că există o eroare sau o greșeală încă nerecunoscută în una dintre aceste două măsurători sau modelul cosmologic standard este incomplet într-un fel interesant. „Suntem încă destul de precauți aici”, a spus Michael Strauss, președintele Departamentului de Științe Astrofizice din Princeton și unul dintre liderii echipei HSC. „Nu spunem că tocmai am descoperit că cosmologia modernă este greșită, pentru că, așa cum a subliniat Roohi, efectul pe care îl măsurăm este unul foarte subtil. Acum, credem că am făcut măsurarea corect. Iar statisticile arată că există doar una din 20 de șanse să fie doar din cauza întâmplării, ceea ce este convingător, dar nu complet definitiv. Dar, pe măsură ce noi, cei din comunitatea astronomică, ajungem la aceeași concluzie în cadrul mai multor experimente, pe măsură ce continuăm să facem aceste măsurători, poate că descoperim că este real.” Pleiade

Acest grup de stele, cunoscut sub numele de Pleiade de astronomii occidentali, este cunoscut sub numele de Subaru în Japonia și dă numele telescopului Subaru de 8.2 metri de pe vârful Maunakea din Hawai'i. Subaru este operat de Observatorul Național Astronomic al Japoniei. (Imagine: NASA, ESA, AURA/Caltech, Observatorul Palomar)

Ascunderea și descoperirea datelor

The idea that some change is needed in the standard cosmological model, that there is some fundamental piece of cosmology yet to be discovered, is a deliciously enticing one for some scientists. “We are human beings, and we do have preferences. That’s why we do what we call a ‘blinded’ analysis,” Strauss said. “Scientists have become self-aware enough to know that we will bias ourselves, no matter how careful we are, unless we carry out our analysis without allowing ourselves to know the results until the end. For me, I would love to really find something fundamentally new. That would be truly exciting. But because I am prejudiced in that direction, we want to be very careful not to let that influence any analysis that we do.” To protect their work from their biases, they quite literally hid their results from themselves and their colleagues — month after month after month. “I worked on this analysis for a year and didn’t get to see the values that were coming out,” said Dalal. The team even added an extra obfuscating layer: they ran their analyses on three different galaxy catalogs, one real and two with numerical values offset by random values. “We didn’t know which of them was real, so even if someone did accidentally see the values, we wouldn’t know if the results were based on the real catalog or not,” she said. On February 16, the international team gathered together on Zoom — in the evening in Princeton, in the morning in Japan and Taiwan — for the “unblinding.” “It felt like a ceremony, a ritual, that we went through,” Strauss said. “We unveiled the data, and ran our plots, immediately we saw it was great. Everyone went, ‘Oh, whew!’ and everyone was very happy.” Dalal and her roommate popped a bottle of champagne that night.

Un sondaj uriaș cu cea mai mare cameră telescop din lume

HSC este cea mai mare cameră pe un telescop de dimensiunile sale din lume, manta pe care o va ține până când Observatorul Vera C. Rubin, aflat în prezent în construcție în Anzii chilieni, începe Legacy Survey of Space and Time (LSST) la sfârșitul anului 2024. De fapt, datele brute de la HSC sunt procesate cu software-ul conceput pentru LSST. „Este fascinant să vezi că conductele noastre de software sunt capabile să gestioneze cantități atât de mari de date cu mult înaintea LSST”, a spus Andrés Plazas, cercetător asociat la Princeton. Sondajul folosit de echipa de cercetare acoperă aproximativ 420 de grade pătrate din cer, aproximativ echivalentul a 2000 de luni pline. Nu este o singură bucată de cer contiguă, ci împărțită în șase bucăți diferite, fiecare de dimensiunea pe care ai putea-o acoperi cu pumnul întins. Cele 25 de milioane de galaxii pe care le-au cercetat sunt atât de îndepărtate încât, în loc să vadă aceste galaxii așa cum sunt astăzi, HSC a înregistrat cum erau cu miliarde de ani în urmă. Fiecare dintre aceste galaxii strălucește cu focurile a zeci de miliarde de sori, dar pentru că sunt atât de departe, sunt extrem de slabe, de 25 de milioane de ori mai slabe decât cele mai slabe stele pe care le putem vedea cu ochiul liber. „Este extrem de incitant să vedem aceste rezultate din colaborarea HSC, mai ales că aceste date sunt cel mai apropiate de ceea ce ne așteptăm de la Observatorul Rubin, la care comunitatea lucrează împreună”, a declarat cosmologul Alexandra Amon, senior Kavli Fellow la Universitatea Cambridge și un cercetător senior la Trinity College, care nu a fost implicat în această cercetare. „Sondajul lor profund oferă date frumoase. Pentru mine, este intrigant faptul că HSC, ca și celelalte anchete independente de lentile slabe, indică o valoare scăzută pentru S8 — este o validare importantă și incitant că aceste tensiuni și tendințe ne obligă să ne oprim și să ne gândim la ceea ce ne spun acele date despre Universul nostru!”

Modelul cosmologic standard

Modelul standard al cosmologiei este „uimitor de simplu” în anumite privințe, a explicat Andrina Nicola de la Universitatea din Bonn, care l-a sfătuit pe Dalal în acest proiect pe vremea când era un cercetător postdoctoral la Princeton. Modelul presupune că universul este format din doar patru constituenți de bază: materie obișnuită (atomi, în principal hidrogen și heliu), materie întunecată, energie întunecată și fotoni. Conform modelului standard, universul s-a extins de la Big Bang-ul de acum 13.8 miliarde de ani: a început aproape perfect lin, dar forța gravitației asupra fluctuațiilor subtile din univers a determinat structura - galaxii învăluite în aglomerări de materie întunecată - a forma. În universul actual, contribuțiile relative ale materiei obișnuite, materiei întunecate, energiei întunecate sunt de aproximativ 5%, 25% și 70%, plus o mică contribuție a fotonilor. Modelul standard este definit doar de o mână de numere: rata de expansiune a universului; o măsură a cât de aglomerată este materia întunecată (S8); contribuțiile relative ale constituenților universului (cele 5%, 25%, 70% de mai sus); densitatea globală a universului; și o cantitate tehnică care descrie modul în care aglomerația universului la scară mare se raportează la cea la scară mică. „Și practic asta este!” spuse Strauss. „Noi, comunitatea cosmologică, am convergit spre acest model, care a fost în vigoare de la începutul anilor 2000.” Cosmologii sunt dornici să testeze acest model prin constrângerea acestor numere în diferite moduri, cum ar fi prin observarea fluctuațiilor din fundalul cosmic cu microunde (care, în esență, este imaginea bebelușului universului, surprinzând cum arăta după primii 400,000 de ani), modelând expansiunea. istoria universului, măsurarea aglomerației universului în trecutul relativ recent și altele. „Confirmăm un sentiment din ce în ce mai mare în comunitate că există o discrepanță reală între măsurarea aglomerării în universul timpuriu (măsurată din CMB) și cea din epoca galaxiilor, „cu doar” 9 miliarde de ani în urmă”, a spus. Arun Kannawadi, cercetător asociat la Princeton, care a fost implicat în analiză.

Cinci linii de atac

Dalal’s work does a so-called Fourier-space analysis; a parallel real-space analysis was led by Xiangchong Li of Carnegie Mellon University, who worked in close collaboration with Rachel Mandelbaum, who completed her physics A.B. in 2000 and her Ph.D. in 2006, both from Princeton. A third analysis, a so-called 3×2-point analysis, takes a different approach of measuring the gravitational lensing signal around individual galaxies, to calibrate the amount of dark matter associated with each galaxy. That analysis was led by Sunao Sugiyama of the University of Tokyo, Hironao Miyatake (a former Princeton postdoctoral fellow) of Nagoya University and Surhud More of the Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics in Pune, India. These five sets of analyses each use the HSC data to come to the same conclusion about S8. Doing both the real-space analysis and the Fourier-space analysis “was sort of a sanity check,” said Dalal. She and Li worked closely to coordinate their analyses, using blinded data. Any discrepancies between those two would say that the researchers’ methodology was wrong. “It would tell us less about astrophysics and more about how we might have screwed up,” Dalal said. “We didn’t know until the unblinding that two results were bang-on identical,” she said. “It felt miraculous.” Sunao added: “Our 3×2-point analysis combines the weak lensing analysis with the clustering of galaxies. Only after unblinding did we know that our results were in beautiful agreement with those of Roohi and Xiangchong. The fact that all these analyses are giving the same answer gives us confidence that we’re doing something right!”