Kako videti nevidno: uporaba porazdelitve temne snovi za testiranje našega kozmološkega modela

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

08. april 2023 (Nanowerk novice) Zdi se kot klasičen paradoks: Kako vidite nevidno? Toda za sodobne astronome je to zelo resničen izziv: kako izmeriti temno snov, ki po definiciji ne oddaja svetlobe? Odgovor: Vidite, kako vpliva na stvari, ki jih vidite. V primeru temne snovi astronomi opazujejo, kako se svetloba iz oddaljenih galaksij upogiba okoli nje. Mednarodna ekipa astrofizikov in kozmologov je preteklo leto razkrivala skrivnosti tega izmuzljivega materiala z uporabo prefinjenih računalniških simulacij in opazovanj iz ene najmočnejših astronomskih kamer na svetu, Hyper Suprime-Cam (HSC). Ekipo vodijo astronomi z Univerze Princeton in astronomskih skupnosti Japonske in Tajvana, ki uporabljajo podatke iz prvih treh let raziskave neba HSC, slikovne raziskave širokega polja, ki je bila izvedena z 8.2-metrskim teleskopom Subaru na vrhu Maunakea na Havajih. Subaru upravlja Nacionalni astronomski observatorij Japonske; njeno ime je japonska beseda za kopico zvezd, ki jo imenujemo Plejade. Ekipa je svoje ugotovitve predstavila na spletnem seminarju, ki se ga je udeležilo več kot 200 ljudi, svoje delo pa bodo delili na konferenci "Future Science with CMB x LSS" na Japonskem.

[Vgrajeni vsebina]

"Naš splošni cilj je izmeriti nekatere najbolj temeljne lastnosti našega vesolja," je dejal Roohi Dalal, podiplomski študent astrofizike na Princetonu. »Vemo, da temna energija in temna snov sestavljata 95 % našega vesolja, vendar zelo malo razumemo, kaj dejansko sta in kako sta se razvijali skozi zgodovino vesolja. Skupki temne snovi izkrivljajo svetlobo oddaljenih galaksij s šibkimi gravitacijskimi lečami, pojav, ki ga napoveduje Einsteinova splošna teorija relativnosti. To popačenje je res, zelo majhen učinek; oblika posamezne galaksije je neopazno popačena. Toda ko opravimo to meritev za 25 milijonov galaksij, lahko izmerimo popačenje s precej visoko natančnostjo.« Da preskočim na bistvo: ekipa je izmerila vrednost za "grudastost" temne snovi vesolja (kozmologi jo poznajo kot "S8”) 0.776, kar se ujema z vrednostmi, ki so jih odkrile druge raziskave z gravitacijskimi lečami pri opazovanju relativno nedavnega vesolja — vendar se ne ujema z vrednostjo 0.83, izpeljano iz kozmičnega mikrovalovnega ozadja, ki sega v čas nastanka vesolja. Razlika med tema dvema vrednostma je majhna, a ker vse več študij potrjuje vsako od obeh vrednosti, se zdi, da ni naključna. Druge možnosti so, da obstaja kakšna še neprepoznana napaka ali napaka v eni od teh dveh meritev ali da je standardni kozmološki model na nek zanimiv način nepopoln. "Tukaj smo še vedno precej previdni," je dejal Michael Strauss, predsednik Princetonovega oddelka za astrofizikalne znanosti in eden od vodij ekipe HSC. »Ne trdimo, da smo pravkar odkrili, da je sodobna kozmologija povsem narobe, ker, kot je poudaril Roohi, je učinek, ki ga merimo, zelo subtilen. Mislimo, da smo meritev opravili pravilno. In statistični podatki kažejo, da obstaja samo ena proti 20 možnosti, da je to samo zaradi naključja, kar je prepričljivo, vendar ne povsem dokončno. Ker pa v astronomski skupnosti prihajamo do istega zaključka v številnih poskusih, medtem ko nadaljujemo s temi meritvami, morda ugotavljamo, da je resnično.« Plejade

Ta kopica zvezd, ki je zahodnim astronomom znana kot Plejade, je na Japonskem znana kot Subaru in daje ime 8.2-metrskemu teleskopu Subaru na vrhu Maunakea na Havajih. Subaru upravlja Nacionalni astronomski observatorij Japonske. (Slika: NASA, ESA, AURA/Caltech, Observatorij Palomar)

Skrivanje in razkrivanje podatkov

Zamisel, da je v standardnem kozmološkem modelu potrebna neka sprememba, da je treba še odkriti nekaj temeljnega dela kozmologije, je za nekatere znanstvenike slastno mamljiva. »Smo ljudje in imamo preference. Zato izvajamo tako imenovano 'slepo' analizo,« je dejal Strauss. »Znanstveniki so postali dovolj samozavedni, da vedo, da bomo sami sebi pristranski, ne glede na to, kako previdni smo, razen če bomo izvedli analizo, ne da bi si dovolili, da izvemo rezultate do konca. Zame bi rad res našel nekaj bistveno novega. To bi bilo res razburljivo. A ker imam v tej smeri predsodke, želimo biti zelo previdni, da ne dovolimo, da bi to vplivalo na katero koli analizo, ki jo izvajamo.« Da bi zaščitili svoje delo pred njihovimi pristranskostmi, so svoje rezultate dobesedno skrivali pred seboj in svojimi kolegi - iz meseca v mesec. "Na tej analizi sem delal eno leto in nisem mogel videti vrednosti, ki so prihajale na dan," je dejal Dalal. Ekipa je celo dodala dodatno zakrito plast: svoje analize so izvedli na treh različnih katalogih galaksij, enem resničnem in dveh s številčnimi vrednostmi, izravnanimi z naključnimi vrednostmi. "Nismo vedeli, katera od njih je resnična, tako da tudi če bi kdo pomotoma videl vrednosti, ne bi vedeli, ali rezultati temeljijo na pravem katalogu ali ne," je dejala. 16. februarja se je mednarodna ekipa zbrala na Zoomu - zvečer v Princetonu, zjutraj na Japonskem in v Tajvanu - za "odslepitev". "Zdelo se je kot slovesnost, ritual, skozi katerega smo šli," je dejal Strauss. »Razkrili smo podatke in pregledali naše ploskve, takoj smo videli, da je odlično. Vsi so rekli: 'Oh, uf!' in vsi so bili zelo veseli.” Dalal in njen sostanovalec sta tisti večer popili steklenico šampanjca.

Ogromna raziskava z največjo teleskopsko kamero na svetu

HSC je največja kamera na teleskopu te velikosti na svetu, plašč, ki ga bo držal, dokler observatorij Vera C. Rubin, ki je trenutno v izgradnji v čilskih Andih, konec leta 2024 ne začne Legacy Survey of Space and Time (LSST). Pravzaprav se neobdelani podatki iz HSC obdelujejo s programsko opremo, zasnovano za LSST. »Fascinantno je videti, da so naši cevovodi programske opreme sposobni obdelati tako velike količine podatkov precej pred LSST,« je dejal Andrés Plazas, pridruženi raziskovalec na Princetonu. Raziskava, ki jo je uporabila raziskovalna skupina, pokriva približno 420 kvadratnih stopinj neba, kar je približno enako 2000 polnim lunam. To ni en sam sosednji kos neba, temveč razdeljen na šest različnih kosov, od katerih je vsak približno velik, da bi ga lahko pokrili z iztegnjeno pestjo. 25 milijonov galaksij, ki so jih pregledali, je tako oddaljenih, da je HSC namesto da bi videl te galaksije takšne, kot so danes, zabeležil, kakšne so bile pred milijardami let. Vsaka od teh galaksij žari z ognjem več deset milijard sonc, a ker so tako daleč, so izjemno šibke, kar 25-milijonkrat svetlejše od najsvetlejših zvezd, ki jih lahko vidimo s prostim očesom. "Izjemno vznemirljivo je videti te rezultate sodelovanja HSC, še posebej, ker so ti podatki najbližji tistemu, kar pričakujemo od observatorija Rubin, za katerega si skupaj prizadeva skupnost," je povedala kozmologinja Alexandra Amon, višja sodelavka Kavlija na univerzi Cambridge in višji raziskovalec na Trinity College, ki ni bil vključen v to raziskavo. »Njihova poglobljena raziskava zagotavlja čudovite podatke. Zame je zanimivo, da HSC, tako kot druge neodvisne raziskave šibkih leč, kaže na nizko vrednost za S8 — pomembna je potrditev in vznemirljivo je, da nas te napetosti in trendi prisilijo, da se ustavimo in razmislimo o tem, kaj nam ti podatki povedo o našem vesolju!«

Standardni kozmološki model

Standardni model kozmologije je na nek način "osupljivo preprost", je pojasnila Andrina Nicola z Univerze v Bonnu, ki je svetovala Dalal pri tem projektu, ko je bila podoktorska štipendistka na Princetonu. Model predpostavlja, da je vesolje sestavljeno le iz štirih osnovnih sestavin: navadne snovi (atomi, večinoma vodik in helij), temne snovi, temne energije in fotonov. V skladu s standardnim modelom se vesolje širi od velikega poka pred 13.8 milijarde let: začelo se je skoraj popolnoma gladko, vendar je gravitacija na subtilna nihanja v vesolju povzročila strukturo – galaksije, obdane s gručami temne snovi – oblikovati. V današnjem vesolju so relativni prispevki navadne snovi, temne snovi in temne energije približno 5 %, 25 % in 70 %, plus majhen prispevek fotonov. Standardni model je definiran le s peščico številk: hitrostjo širjenja vesolja; merilo, kako grudasta je temna snov (S8); relativni prispevki sestavin vesolja (številke 5 %, 25 %, 70 % zgoraj); splošna gostota vesolja; in tehnično količino, ki opisuje, kako je grudastost vesolja na velikih lestvicah povezana s tisto na majhnih lestvicah. "In to je v bistvu to!" je rekel Strauss. "Mi, kozmološka skupnost, smo se zbrali na tem modelu, ki je v veljavi od zgodnjih 2000-ih." Kozmologi si želijo preizkusiti ta model z omejevanjem teh števil na različne načine, na primer z opazovanjem nihanj kozmičnega mikrovalovnega ozadja (ki je v bistvu otroška slika vesolja, ki prikazuje, kako je izgledalo po prvih 400,000 letih), modeliranje širjenja zgodovina vesolja, merjenje grudastosti vesolja v relativno bližnji preteklosti in drugi. "Potrjujemo vse večji občutek v skupnosti, da obstaja resnično neskladje med merjenjem združevanja v zgodnjem vesolju (merjeno iz CMB) in tistim iz obdobja galaksij, 'le' pred 9 milijardami let," je dejal. Arun Kannawadi, pridruženi raziskovalec na Princetonu, ki je sodeloval pri analizi.

Pet linij napada

Dalalovo delo izvaja tako imenovano analizo Fourierovega prostora; vzporedno analizo realnega prostora je vodil Xiangchong Li z Univerze Carnegie Mellon, ki je tesno sodeloval z Rachel Mandelbaum, ki je leta 2000 zaključila AB iz fizike in doktorirala. leta 2006, oba iz Princetona. Tretja analiza, tako imenovana 3 × 2-točkovna analiza, uporablja drugačen pristop merjenja signala gravitacijske leče okoli posameznih galaksij, da umeri količino temne snovi, povezane z vsako galaksijo. To analizo so vodili Sunao Sugiyama z Univerze v Tokiu, Hironao Miyatake (nekdanji podoktorski sodelavec Princetona) z Univerze Nagoya in Surhud More iz Meduniverzitetnega centra za astronomijo in astrofiziko v Puni v Indiji. Vsak od teh petih sklopov analiz uporablja podatke HSC, da pride do istega zaključka o S8. Izvajanje analize realnega prostora in analize Fourierovega prostora je "bilo neke vrste preverjanje razuma," je dejal Dalal. Ona in Li sta tesno sodelovala pri usklajevanju svojih analiz z uporabo slepih podatkov. Kakršna koli neskladja med tema dvema bi pomenila, da je bila metodologija raziskovalcev napačna. "To bi nam povedalo manj o astrofiziki in več o tem, kako smo morda zajebali," je dejal Dalal. "Do razkritja nismo vedeli, da sta dva rezultata popolnoma enaka," je dejala. "Zdelo se je čudežno." Sunao je dodal: »Naša 3 × 2-točkovna analiza združuje analizo šibkih leč z združevanjem galaksij. Šele po razkritju smo vedeli, da se naši rezultati lepo ujemajo z rezultati Roohija in Xiangchonga. Dejstvo, da vse te analize dajejo enak odgovor, nam daje zaupanje, da nekaj delamo prav!«