วิธีดูสิ่งที่มองไม่เห็น: การใช้การกระจายสสารมืดเพื่อทดสอบแบบจำลองจักรวาลวิทยาของเรา

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

08 เม.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) 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.

[เนื้อหาฝัง]

“เป้าหมายโดยรวมของเราคือการวัดคุณสมบัติพื้นฐานที่สุดของจักรวาลของเรา” Roohi Dalal นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ Princeton กล่าว “เรารู้ว่าพลังงานมืดและสสารมืดประกอบขึ้นเป็น 95% ของจักรวาลของเรา แต่เราเข้าใจเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขาเป็น และวิวัฒนาการของพวกมันตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล กระจุกของสสารมืดบิดเบือนแสงของกาแลคซีไกลโพ้นด้วยเลนส์โน้มถ่วงที่อ่อนแอ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายไว้ การบิดเบือนนี้เป็นเอฟเฟกต์เพียงเล็กน้อยจริงๆ รูปร่างของกาแล็กซีเดียวนั้นบิดเบี้ยวไปจนมองไม่เห็น แต่เมื่อเราทำการวัดกาแล็กซี 25 ล้านกาแล็กซี เราก็สามารถวัดความบิดเบี้ยวได้ค่อนข้างแม่นยำ" ข้ามไปยังประเด็นสำคัญ: ทีมงานได้วัดค่าของ “ความขุ่น” ของสสารมืดในจักรวาล (นักจักรวาลวิทยารู้จักกันในชื่อ “S”8”) เท่ากับ 0.776 ซึ่งสอดคล้องกับค่าที่การสำรวจด้วยเลนส์โน้มถ่วงอื่นๆ พบในการดูเอกภพที่ค่อนข้างใหม่ แต่ไม่สอดคล้องกับค่า 0.83 ที่ได้มาจากพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก ซึ่งมีอายุย้อนไปถึงต้นกำเนิดของเอกภพ ช่องว่างระหว่างค่าทั้งสองนี้มีขนาดเล็ก แต่เมื่อการศึกษาจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ยืนยันค่าทั้งสองค่านี้ ดูเหมือนว่าจะไม่ใช่เรื่องบังเอิญ ความเป็นไปได้อื่นๆ ก็คือมีข้อผิดพลาดหรือข้อผิดพลาดที่ยังไม่ทราบในการวัดค่าใดค่าหนึ่งจากทั้งสองค่านี้ หรือแบบจำลองทางจักรวาลวิทยามาตรฐานไม่สมบูรณ์ในลักษณะที่น่าสนใจ “เรายังคงระมัดระวังพอสมควรที่นี่” ไมเคิล สเตราส์ ประธานภาควิชาวิทยาศาสตร์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งพรินซ์ตัน และหนึ่งในผู้นำของทีม HSC กล่าว “เราไม่ได้บอกว่าเราเพิ่งค้นพบว่าจักรวาลวิทยาสมัยใหม่นั้นผิดทั้งหมด เพราะดังที่ Roohi ได้เน้นย้ำไว้ ผลที่เรากำลังวัดนั้นเป็นสิ่งที่ละเอียดอ่อนมาก ตอนนี้เราคิดว่าเราทำการวัดถูกต้องแล้ว และสถิติเผยว่ามีโอกาสเพียง 20 ใน XNUMX ที่เกิดเพราะเหตุบังเอิญซึ่งน่าสนใจแต่ยังไม่สรุปแน่ชัด แต่ในขณะที่เราในชุมชนดาราศาสตร์ได้ข้อสรุปเดียวกันจากการทดลองหลายครั้ง ในขณะที่เราทำการวัดเหล่านี้ต่อไป บางทีเราอาจพบว่ามันเป็นเรื่องจริง” กัตติกา

กระจุกดาวนี้เรียกว่ากลุ่มดาวลูกไก่สำหรับนักดาราศาสตร์ตะวันตก และเป็นที่รู้จักในชื่อซูบารุในญี่ปุ่น และตั้งชื่อให้กับกล้องโทรทรรศน์ซูบารุขนาด 8.2 เมตรบนยอดเขาเมานาเคียในฮาวาย Subaru ดำเนินการโดยหอดูดาวแห่งชาติของญี่ปุ่น (ภาพ: NASA, ESA, AURA/Caltech, หอดูดาวพาโลมาร์)

การซ่อนและการเปิดเผยข้อมูล

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.

การสำรวจครั้งใหญ่ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

HSC เป็นกล้องที่ใหญ่ที่สุดในโลกบนกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดเท่าๆ กัน ซึ่งจะเก็บไว้จนกระทั่งหอดูดาว Vera C. Rubin ที่กำลังก่อสร้างในเทือกเขาแอนดีสของชิลี และเริ่มการสำรวจมรดกแห่งอวกาศและเวลา (LSST) ในปลายปี 2024 ในความเป็นจริง ข้อมูลดิบจาก HSC ได้รับการประมวลผลด้วยซอฟต์แวร์ที่ออกแบบมาสำหรับ LSST “เป็นเรื่องน่าทึ่งที่เห็นว่าไปป์ไลน์ซอฟต์แวร์ของเราสามารถจัดการข้อมูลปริมาณมหาศาลได้ดีกว่า LSST” Andrés Plazas นักวิชาการวิจัยร่วมของ Princeton กล่าว การสำรวจที่ทีมวิจัยใช้ครอบคลุมพื้นที่ท้องฟ้าประมาณ 420 ตารางองศา เทียบเท่ากับพระจันทร์เต็มดวง 2000 ดวง มันไม่ใช่ก้อนท้องฟ้าที่ติดกันเพียงก้อนเดียว แต่แบ่งออกเป็นหกส่วนที่แตกต่างกัน แต่ละชิ้นมีขนาดพอๆ กับที่คุณสามารถกางแขนออกได้ กาแลคซี 25 ล้านกาแล็กซีที่พวกเขาสำรวจอยู่ห่างไกลมากจนแทนที่จะมองเห็นกาแลคซีเหล่านี้อย่างที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ HSC ได้บันทึกว่าพวกมันเมื่อหลายพันล้านปีก่อนเป็นอย่างไร กาแลคซีแต่ละแห่งเหล่านี้เรืองแสงด้วยไฟดวงอาทิตย์นับหมื่นล้านดวง แต่เนื่องจากพวกมันอยู่ห่างไกลมาก พวกมันจึงสลัวมาก สว่างกว่าดาวฤกษ์ที่จางที่สุดที่เรามองเห็นได้ด้วยตาเปล่าถึง 25 ล้านเท่า “เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นอย่างยิ่งที่ได้เห็นผลลัพธ์เหล่านี้จากความร่วมมือของ HSC โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อข้อมูลนี้ใกล้เคียงกับสิ่งที่เราคาดหวังจากหอดูดาวรูบิน ซึ่งชุมชนกำลังทำงานร่วมกัน” อเล็กซานดรา อามอน นักจักรวาลวิทยาอาวุโส Kavli Fellow จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และ a นักวิจัยอาวุโสของวิทยาลัยทรินิตี้ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยครั้งนี้ “การสำรวจเชิงลึกของพวกเขาทำให้เกิดข้อมูลที่สวยงาม สำหรับฉัน เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่ HSC เช่นเดียวกับการสำรวจเลนส์อิสระอื่นๆ ที่ชี้ไปที่ค่าที่ต่ำสำหรับ S8 — เป็นการตรวจสอบที่สำคัญ และน่าตื่นเต้นที่ความตึงเครียดและแนวโน้มเหล่านี้บังคับให้เราหยุดและคิดว่าข้อมูลนั้นบอกเราเกี่ยวกับจักรวาลของเราอย่างไร!”

แบบจำลองทางจักรวาลวิทยามาตรฐาน

แบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยานั้น "เรียบง่ายอย่างน่าอัศจรรย์" ในบางแง่ Andrina Nicola จากมหาวิทยาลัยบอนน์อธิบาย ผู้ซึ่งแนะนำ Dalal เกี่ยวกับโครงการนี้ ตอนที่เธอเป็นนักวิชาการหลังปริญญาเอกที่ Princeton อธิบาย แบบจำลองตั้งสมมติฐานว่าจักรวาลประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานเพียงสี่องค์ประกอบ ได้แก่ สสารธรรมดา (อะตอม ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียม) สสารมืด พลังงานมืด และโฟตอน ตามแบบจำลองมาตรฐาน จักรวาลขยายตัวตั้งแต่บิ๊กแบงเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน มันเริ่มต้นได้อย่างราบรื่นเกือบสมบูรณ์แบบ แต่แรงดึงโน้มถ่วงจากความผันผวนเล็กน้อยในจักรวาลได้ทำให้เกิดโครงสร้าง - กาแลคซีที่ห่อหุ้มด้วยกระจุกสสารมืด - เพื่อสร้าง ในจักรวาลปัจจุบัน การมีส่วนร่วมเชิงสัมพัทธ์ของสสารธรรมดา สสารมืด พลังงานมืดอยู่ที่ประมาณ 5%, 25% และ 70% บวกกับการมีส่วนร่วมเล็กน้อยจากโฟตอน แบบจำลองมาตรฐานถูกกำหนดโดยตัวเลขเพียงไม่กี่ตัว ได้แก่ อัตราการขยายตัวของจักรวาล การวัดว่าสสารมืดนั้นจับกันเป็นก้อนแค่ไหน (ส8); การมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ขององค์ประกอบของจักรวาล (ตัวเลข 5%, 25%, 70% ข้างต้น); ความหนาแน่นโดยรวมของจักรวาล และปริมาณทางเทคนิคที่อธิบายว่าความยุ่งเหยิงของเอกภพในระดับใหญ่สัมพันธ์กับความยุ่งเหยิงในระดับเล็กอย่างไร “และโดยพื้นฐานแล้วมันเป็น!” สเตราส์กล่าวว่า “พวกเราซึ่งเป็นชุมชนจักรวาลวิทยาได้มาบรรจบกันด้วยแบบจำลองนี้ ซึ่งมีมาตั้งแต่ต้นทศวรรษปี 2000” นักจักรวาลวิทยากระตือรือร้นที่จะทดสอบแบบจำลองนี้โดยการจำกัดตัวเลขเหล่านี้ด้วยวิธีต่างๆ เช่น สังเกตความผันผวนของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือภาพทารกของเอกภพ โดยจับภาพว่าจักรวาลมองอย่างไรในช่วง 400,000 ปีแรก) จำลองการขยายตัว ประวัติศาสตร์จักรวาล การวัดความยุ่งเหยิงของจักรวาลในอดีตอันค่อนข้างเร็ว และอื่นๆ “เรากำลังยืนยันความรู้สึกที่เพิ่มขึ้นในชุมชนว่ามีความแตกต่างอย่างแท้จริงระหว่างการวัดการรวมตัวกันเป็นก้อนในเอกภพยุคแรกๆ (วัดจาก CMB) และจากยุคของกาแลคซี 'เพียง' เมื่อ 9 พันล้านปีก่อนเท่านั้น” กล่าว อรุณ กันนาวดี นักวิจัยร่วมจาก Princeton ซึ่งมีส่วนร่วมในการวิเคราะห์

การโจมตีห้าแนว

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!”