Как увидеть невидимое: использование распределения темной материи для проверки нашей космологической модели

Переиздано Платоном

Читают: 0

08 апреля 2023 г. (Новости Наноуэрк) Это похоже на классический парадокс: Как можно увидеть невидимое? Но для современных астрономов это вполне реальная проблема: как измерить темную материю, которая по определению не излучает света? Ответ: вы видите, как это влияет на то, что вы можете видеть. В случае с темной материей астрономы наблюдают, как свет от далеких галактик огибает ее. Международная команда астрофизиков и космологов провела последний год, разгадывая секреты этого неуловимого материала, используя сложное компьютерное моделирование и наблюдения с помощью одной из самых мощных астрономических камер в мире — Hyper Suprime-Cam (HSC). Группу возглавляют астрономы из Принстонского университета и астрономические сообщества Японии и Тайваня. Они используют данные первых трех лет исследования неба HSC — широкоугольной съемки, выполненной с помощью 8.2-метрового телескопа Subaru на вершине Маунакеа на Гавайях. Subaru находится в ведении Национальной астрономической обсерватории Японии; его название - японское слово, обозначающее скопление звезд, которое мы называем Плеядами. Команда представила свои результаты на вебинаре, на котором присутствовало более 200 человек, и поделится своей работой на конференции «Наука будущего с CMB x LSS» в Японии.

[Встраиваемое содержимое]

«Наша общая цель — измерить некоторые из наиболее фундаментальных свойств нашей Вселенной», — сказал Рухи Далал, аспирант астрофизики в Принстоне. «Мы знаем, что темная энергия и темная материя составляют 95% нашей Вселенной, но мы очень мало понимаем, что они собой представляют на самом деле и как они развивались на протяжении истории Вселенной. Сгустки темной материи искажают свет далеких галактик из-за слабого гравитационного линзирования — явления, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна. Это искажение — очень, очень маленький эффект; форма отдельной галактики искажена на неуловимую величину. Но когда мы делаем это измерение для 25 миллионов галактик, мы можем измерить искажение с довольно высокой точностью». Чтобы перейти к изюминке: команда измерила значение «комковатости» темной материи Вселенной (известной космологам как «S8»), равное 0.776, что согласуется со значениями, которые были обнаружены другими исследованиями гравитационного линзирования при рассмотрении относительно недавней Вселенной, но не согласуется со значением 0.83, полученным из космического микроволнового фона, который восходит к истокам Вселенной. Разрыв между этими двумя значениями невелик, но по мере того, как все больше и больше исследований подтверждают каждое из двух значений, он не кажется случайным. Другие возможности заключаются в том, что в одном из этих двух измерений есть какая-то пока еще нераспознанная ошибка или ошибка, или что стандартная космологическая модель каким-то интересным образом неполна. «Мы по-прежнему проявляем здесь большую осторожность», — сказал Майкл Штраус, председатель Принстонского департамента астрофизических наук и один из руководителей группы HSC. «Мы не говорим, что только что обнаружили, что вся современная космология неверна, потому что, как подчеркнул Рухи, эффект, который мы измеряем, очень тонкий. Теперь мы думаем, что сделали измерения правильно. И статистика показывает, что есть только один шанс из 20, что это просто случайность, что убедительно, но не окончательно. Но поскольку мы в астрономическом сообществе приходим к одному и тому же выводу в ходе многочисленных экспериментов, продолжая проводить эти измерения, возможно, мы обнаруживаем, что это реально».

Это скопление звезд, известное западным астрономам как Плеяды, известно как Субару в Японии и дало название 8.2-метровому телескопу Субару на вершине Маунакеа на Гавайях. Subaru находится в ведении Национальной астрономической обсерватории Японии. (Изображение: НАСА, ЕКА, AURA/Caltech, Паломарская обсерватория)

Скрытие и раскрытие данных

Идея о том, что в стандартной космологической модели необходимы некоторые изменения, что существует некая фундаментальная часть космологии, которую еще предстоит открыть, является чрезвычайно заманчивой для некоторых ученых. «Мы люди, и у нас есть предпочтения. Вот почему мы проводим так называемый «слепой» анализ», — сказал Штраусс. «Ученые стали достаточно самосознательными, чтобы понять, что мы будем предвзято относиться к себе, независимо от того, насколько мы осторожны, если не проведем анализ, не позволяя себе знать результаты до конца. Лично мне бы очень хотелось найти что-то принципиально новое. Это было бы действительно интересно. Но поскольку у меня есть предубеждения в этом направлении, мы хотим быть очень осторожными и не допустить, чтобы это повлияло на любой анализ, который мы проводим». Чтобы защитить свою работу от предвзятости, они буквально скрывали свои результаты от себя и своих коллег — месяц за месяцем. «Я работал над этим анализом в течение года и так и не смог увидеть полученные значения», — сказал Далал. Команда даже добавила дополнительный запутывающий слой: они провели анализ трех разных каталогов галактик: одного реального и двух с числовыми значениями, смещенными случайными значениями. «Мы не знали, какое из них настоящее, поэтому даже если кто-то случайно увидит значения, мы не узнаем, основаны ли результаты на реальном каталоге или нет», — сказала она. 16 февраля международная команда собралась в Zoom — вечером в Принстоне, утром в Японии и на Тайване — для «расслепления». «Это было похоже на церемонию, ритуал, который мы прошли», — сказал Штраусс. «Мы обнародовали данные и проанализировали наши графики, и сразу же увидели, что это здорово. Все сказали: «О, уф!» и все были очень счастливы». Той ночью Далал и ее соседка по комнате выпили бутылку шампанского.

Огромный обзор с самой большой в мире камерой телескопа

HSC — это самая большая камера на телескопе такого размера в мире, и она будет удерживать ее до тех пор, пока обсерватория Веры С. Рубин, строящаяся в настоящее время в чилийских Андах, не начнет в конце 2024 года Наследие обзора пространства и времени (LSST). Фактически необработанные данные HSC обрабатываются с помощью программного обеспечения, разработанного для LSST. «Удивительно видеть, что наши программные конвейеры способны обрабатывать такие большие объемы данных намного раньше, чем LSST», — сказал Андрес Плазас, научный сотрудник Принстона. Обзор, который использовала исследовательская группа, охватывает около 420 квадратных градусов неба, что примерно эквивалентно 2000 полным лунам. Это не единый непрерывный кусок неба, а разделенный на шесть разных частей, каждая размером с вытянутый кулак. 25 миллионов галактик, которые они исследовали, настолько далеки, что вместо того, чтобы видеть эти галактики такими, какие они есть сегодня, HSC записал, какими они были миллиарды лет назад. Каждая из этих галактик сияет пламенем десятков миллиардов солнц, но из-за того, что они так далеко, они чрезвычайно тусклые, в 25 миллионов раз слабее самых тусклых звезд, которые мы можем видеть невооруженным глазом. «Очень интересно видеть эти результаты сотрудничества HSC, тем более, что эти данные ближе всего к тому, что мы ожидаем от обсерватории Рубин, над которой сообщество работает вместе», — сказала космолог Александра Амон, старший научный сотрудник Кавли в Кембриджском университете. старший научный сотрудник Тринити-колледжа, который не участвовал в этом исследовании. «Их глубокое исследование дает прекрасные данные. Меня интригует тот факт, что HSC, как и другие независимые обзоры слабого линзирования, указывают на низкое значение S8 — это важное подтверждение, и интересно, что эти напряжения и тенденции заставляют нас остановиться и подумать о том, что эти данные говорят нам о нашей Вселенной!»

Стандартная космологическая модель

Стандартная модель космологии в некотором смысле «удивительно проста», объяснила Андрина Никола из Боннского университета, которая консультировала Далал в этом проекте, когда она была докторантом в Принстоне. Модель утверждает, что Вселенная состоит всего из четырех основных компонентов: обычной материи (атомов, в основном водорода и гелия), темной материи, темной энергии и фотонов. Согласно стандартной модели, Вселенная расширялась с момента Большого Взрыва 13.8 миллиардов лет назад: она начиналась почти идеально гладкой, но гравитационное воздействие на тонкие флуктуации Вселенной создало структуру — галактики, окутанные сгустками темной материи — формировать. В современной Вселенной относительный вклад обычной материи, темной материи и темной энергии составляет около 5%, 25% и 70% плюс крошечный вклад фотонов. Стандартная модель определяется всего несколькими числами: скоростью расширения Вселенной; мера того, насколько комковатая темная материя (S8); относительные вклады составляющих вселенной (числа 5%, 25%, 70% выше); общая плотность Вселенной; и техническая величина, описывающая, как комковатость Вселенной в больших масштабах соотносится с глыбой в малых масштабах. «И это в основном все!» — сказал Штраус. «Мы, космологическое сообщество, пришли к этой модели, которая существует с начала 2000-х». Космологи стремятся проверить эту модель, ограничивая эти числа различными способами, например, наблюдая флуктуации в Космическом Микроволновом Фоне (который, по сути, является детской картинкой Вселенной, фиксируя, как она выглядела после ее первых 400,000 9 лет), моделируя расширение история Вселенной, измерение комковатости Вселенной в относительно недавнем прошлом и другие. «Мы подтверждаем растущее в сообществе ощущение того, что существует реальное несоответствие между измерением сгущения в ранней Вселенной (измеряемым по реликтовому излучению) и в эпоху галактик, «всего» XNUMX миллиардов лет назад», — говорится в сообщении. Арун Каннавади, научный сотрудник Принстона, принимавший участие в анализе.

Пять линий атаки

Работа Далала представляет собой так называемый анализ в пространстве Фурье; параллельный анализ в реальном пространстве проводил Сянчун Ли из Университета Карнеги-Меллон, который работал в тесном сотрудничестве с Рэйчел Мандельбаум, получившей степень бакалавра физики в 2000 году и получившую докторскую степень. в 2006 году оба из Принстона. Третий анализ, так называемый анализ 3×2, использует другой подход к измерению сигнала гравитационного линзирования вокруг отдельных галактик, чтобы откалибровать количество темной материи, связанной с каждой галактикой. Этот анализ провели Сунао Сугияма из Токийского университета, Хиронао Миятаке (бывший постдокторант Принстона) из Нагойского университета и Сурхуд Мор из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия. Каждый из этих пяти наборов анализов использует данные HSC, чтобы прийти к одному и тому же выводу о S.8. Проведение как анализа в реальном пространстве, так и анализа в пространстве Фурье «было своего рода проверкой здравомыслия», сказал Далал. Она и Ли тесно сотрудничали, чтобы скоординировать свой анализ, используя слепые данные. Любые расхождения между этими двумя показателями будут означать, что методология исследователей неверна. «Это расскажет нам меньше об астрофизике и больше о том, как мы могли облажаться», — сказал Далал. «До раскрытия информации мы не знали, что два результата были абсолютно идентичными», — сказала она. «Это было чудо». Сунао добавил: «Наш анализ 3 × 2 точки сочетает в себе анализ слабого линзирования с кластеризацией галактик. Только после раскрытия информации мы узнали, что наши результаты прекрасно согласуются с результатами Рухи и Сянчуна. Тот факт, что все эти анализы дают один и тот же ответ, вселяет в нас уверенность в том, что мы делаем что-то правильно!»