Hur man ser det osynliga: Använda distributionen av mörk materia för att testa vår kosmologiska modell

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

08 april 2023 (Nanowerk Nyheter) Det känns som en klassisk paradox: Hur ser du på det osynliga? Men för moderna astronomer är det en mycket verklig utmaning: Hur mäter man mörk materia, som per definition inte avger något ljus? Svaret: Du ser hur det påverkar saker som du kan se. När det gäller mörk materia tittar astronomer på hur ljus från avlägsna galaxer böjer sig runt den. Ett internationellt team av astrofysiker och kosmologer har ägnat det senaste året åt att reta ut hemligheterna bakom detta svårfångade material, med hjälp av sofistikerade datorsimuleringar och observationer från en av de mest kraftfulla astronomiska kamerorna i världen, Hyper Suprime-Cam (HSC). Teamet leds av astronomer från Princeton University och de astronomiska samhällena i Japan och Taiwan, med hjälp av data från de tre första åren av HSC-skyundersökningen, en bredfältsundersökning som genomfördes med det 8.2 meter långa Subaru-teleskopet på toppen av Maunakea på Hawaii. Subaru drivs av National Astronomical Observatory of Japan; dess namn är det japanska ordet för den stjärnhop som vi kallar Plejaderna. Teamet presenterade sina resultat vid ett webbseminarium där mer än 200 personer deltog, och de kommer att dela med sig av sitt arbete på konferensen "Future Science with CMB x LSS" i Japan.

[Inbäddat innehåll]

"Vårt övergripande mål är att mäta några av de mest grundläggande egenskaperna i vårt universum", säger Roohi Dalal, doktorand i astrofysik vid Princeton. "Vi vet att mörk energi och mörk materia utgör 95% av vårt universum, men vi förstår väldigt lite om vad de faktiskt är och hur de har utvecklats under universums historia. Klumpar av mörk materia förvränger ljuset från avlägsna galaxer genom svag gravitationslins, ett fenomen som förutspås av Einsteins allmänna relativitetsteori. Denna förvrängning är en riktigt, riktigt liten effekt; formen på en enda galax förvrängs omärkligt mycket. Men när vi gör den mätningen för 25 miljoner galaxer kan vi mäta distorsionen med ganska hög precision.” För att hoppa till punchline: Teamet har mätt ett värde för "klumpigheten" i universums mörka materia (känd för kosmologer som "S8”) på 0.776, vilket stämmer överens med värden som andra gravitationslinsundersökningar har hittat när man tittar på det relativt nya universum - men det stämmer inte överens med värdet på 0.83 härlett från Cosmic Microwave Background, som går tillbaka till universums ursprung. Gapet mellan dessa två värden är litet, men eftersom fler och fler studier bekräftar vart och ett av de två värdena, verkar det inte vara av misstag. De andra möjligheterna är att det finns något ännu okänt fel eller misstag i en av dessa två mätningar eller att den standardiserade kosmologiska modellen är ofullständig på något intressant sätt. "Vi är fortfarande ganska försiktiga här", säger Michael Strauss, ordförande för Princetons institution för astrofysiska vetenskaper och en av ledarna för HSC-teamet. "Vi säger inte att vi just har upptäckt att modern kosmologi är helt fel, eftersom, som Roohi har betonat, effekten som vi mäter är mycket subtil. Nu tror vi att vi har gjort mätningen rätt. Och statistiken visar att det bara finns en chans på 20 att det bara beror på slumpen, vilket är övertygande men inte helt definitivt. Men när vi i astronomisamhället kommer till samma slutsats över flera experiment, när vi fortsätter att göra dessa mätningar, kanske vi upptäcker att det är verkligt." Pleiader

Denna stjärnhop, känd som Plejaderna för västerländska astronomer, är känd som Subaru i Japan och ger sitt namn till det 8.2 meter långa Subaru-teleskopet på toppen av Maunakea i Hawai'i. Subaru drivs av National Astronomical Observatory of Japan. (Bild: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

Dölja och avslöja data

Tanken att det behövs en förändring i den standardiserade kosmologiska modellen, att det finns någon grundläggande del av kosmologin som ännu inte har upptäckts, är en utsökt lockande sådan för vissa vetenskapsmän. "Vi är människor och vi har preferenser. Det är därför vi gör vad vi kallar en "blindad" analys", sa Strauss. "Forskare har blivit självmedvetna nog att veta att vi kommer att fördomsfulla oss själva, oavsett hur försiktiga vi är, om vi inte genomför vår analys utan att tillåta oss själva att veta resultaten till slutet. För mig skulle jag älska att verkligen hitta något fundamentalt nytt. Det skulle vara riktigt spännande. Men eftersom jag är fördomsfull i den riktningen vill vi vara väldigt noga med att inte låta det påverka någon analys som vi gör.” För att skydda sitt arbete från sina fördomar gömde de bokstavligen sina resultat för sig själva och sina kollegor - månad efter månad efter månad. "Jag arbetade med den här analysen i ett år och fick inte se de värderingar som kom ut", säger Dalal. Teamet har till och med lagt till ett extra förvirrande lager: de körde sina analyser på tre olika galaxkataloger, en riktig och två med numeriska värden förskjutna av slumpmässiga värden. "Vi visste inte vilken av dem som var verklig, så även om någon av misstag såg värdena, skulle vi inte veta om resultaten var baserade på den verkliga katalogen eller inte," sa hon. Den 16 februari samlades det internationella teamet på Zoom – på kvällen i Princeton, på morgonen i Japan och Taiwan – för att ”avblinda”. "Det kändes som en ceremoni, en ritual som vi gick igenom," sa Strauss. "Vi avslöjade data och körde våra tomter, direkt såg vi att det var fantastiskt. Alla sa: 'Oj, oj!' och alla var väldigt glada.” Dalal och hennes rumskamrat poppade en flaska champagne den kvällen.

En enorm undersökning med världens största teleskopkamera

HSC är den största kameran på ett teleskop av sin storlek i världen, en mantel den kommer att hålla tills Vera C. Rubin-observatoriet som för närvarande är under uppbyggnad i de chilenska Anderna, påbörjar Legacy Survey of Space and Time (LSST) i slutet av 2024. Faktum är att rådata från HSC bearbetas med programvaran designad för LSST. "Det är fascinerande att se att våra mjukvarupipelines kan hantera så stora mängder data långt före LSST", säger Andrés Plazas, associerad forskare vid Princeton. Undersökningen som forskargruppen använde sig av omfattar cirka 420 kvadratgrader av himlen, ungefär motsvarande 2000 fullmånar. Det är inte en enda sammanhängande del av himlen, utan delad mellan sex olika delar, var och en ungefär i storleken som du kan täcka med en utsträckt näve. De 25 miljoner galaxerna de undersökte är så avlägsna att istället för att se dessa galaxer som de är idag, registrerade HSC hur de var för miljarder år sedan. Var och en av dessa galaxer lyser med elden från tiotals miljarder solar, men eftersom de är så långt borta är de extremt svaga, så mycket som 25 miljoner gånger svagare än de svagaste stjärnorna vi kan se med blotta ögat. "Det är oerhört spännande att se dessa resultat från HSC-samarbete, särskilt eftersom dessa data ligger närmast vad vi förväntar oss av Rubin Observatory, som samhället arbetar mot tillsammans", säger kosmologen Alexandra Amon, senior Kavli Fellow vid Cambridge University och en senior forskare vid Trinity College, som inte var involverad i denna forskning. "Deras djupa undersökning ger vackra data. För mig är det spännande att HSC, liksom de andra oberoende undersökningarna med svag lins, pekar på ett lågt värde för S8 — Det är viktig validering och spännande att dessa spänningar och trender tvingar oss att pausa och tänka på vad dessa data säger oss om vårt universum!”

Den vanliga kosmologiska modellen

Standardmodellen för kosmologi är "förvånansvärt enkel" på vissa sätt, förklarade Andrina Nicola från universitetet i Bonn, som gav Dalal råd om detta projekt när hon var postdoktor vid Princeton. Modellen hävdar att universum endast består av fyra grundläggande beståndsdelar: vanlig materia (atomer, mestadels väte och helium), mörk materia, mörk energi och fotoner. Enligt standardmodellen har universum expanderat sedan Big Bang för 13.8 miljarder år sedan: det började nästan perfekt jämnt, men gravitationens dragkraft på de subtila fluktuationerna i universum har orsakat struktur - galaxer inkapslade i klumpar av mörk materia - att forma. I dagens universum är de relativa bidragen från vanlig materia, mörk materia, mörk energi cirka 5 %, 25 % och 70 %, plus ett litet bidrag från fotoner. Standardmodellen definieras av endast en handfull siffror: universums expansionshastighet; ett mått på hur klumpig den mörka materian är (S8); de relativa bidragen från universums beståndsdelar (siffrorna 5 %, 25 %, 70 % ovan); universums totala täthet; och en teknisk kvantitet som beskriver hur universums klumpighet i stor skala förhåller sig till den i små skalor. "Och det är i princip det!" sa Strauss. "Vi, det kosmologiska samfundet, har konvergerat den här modellen, som har funnits sedan början av 2000-talet." Kosmologer är ivriga att testa denna modell genom att begränsa dessa siffror på olika sätt, till exempel genom att observera fluktuationerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (som i huvudsak är universums babybild, som fångar hur det såg ut efter de första 400,000 9 åren), modellera expansionen universums historia, mäter universums klumpighet i det relativt nyligen förflutna, och andra. "Vi bekräftar en växande känsla i samhället att det finns en verklig diskrepans mellan mätningen av klumpning i det tidiga universum (mätt från CMB) och det från galaxernas era, "bara" för XNUMX miljarder år sedan," sa Arun Kannawadi, en associerad forskare vid Princeton som var involverad i analysen.

Fem attacklinjer

Dalals arbete gör en så kallad Fourier-rymdanalys; en parallell realrymdanalys leddes av Xiangchong Li från Carnegie Mellon University, som arbetade i nära samarbete med Rachel Mandelbaum, som avslutade sitt fysik AB 2000 och sin doktorsexamen. 2006, båda från Princeton. En tredje analys, en så kallad 3×2-punktsanalys, tar ett annat tillvägagångssätt för att mäta gravitationslinssignalen runt enskilda galaxer, för att kalibrera mängden mörk materia som är associerad med varje galax. Den analysen leddes av Sunao Sugiyama vid University of Tokyo, Hironao Miyatake (fd Princeton-postdoktor) vid Nagoya University och Surhud More från Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics i Pune, Indien. Dessa fem uppsättningar analyser använder var och en av HSC-data för att komma till samma slutsats om S8. Att göra både real-space-analysen och Fourier-rymdanalysen "var en slags förnuftskontroll", sa Dalal. Hon och Li arbetade nära för att samordna sina analyser med hjälp av blinda data. Eventuella skillnader mellan dessa två skulle säga att forskarnas metod var felaktig. "Det skulle berätta mindre om astrofysik och mer om hur vi kan ha stökat till," sa Dalal. "Vi visste inte förrän avblindningen att två resultat var helt identiska," sa hon. "Det kändes mirakulöst." Sunao tillade: "Vår 3×2-punktsanalys kombinerar analys av svag lins med klustring av galaxer. Först efter avblindningen visste vi att våra resultat var i vacker överensstämmelse med Roohi och Xiangchong. Det faktum att alla dessa analyser ger samma svar ger oss tilltro till att vi gör något rätt!”