Görünmeyen Nasıl Görülür: Kozmolojik Modelimizi Test Etmek İçin Karanlık Madde Dağılımını Kullanma

Plato tarafından yeniden yayınlandı

İzleyiciler: 0

08 Nis 2023 (Nanowerk Haberleri) 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.

[Gömülü içerik]

Princeton'da astrofizik yüksek lisans öğrencisi olan Roohi Dalal, "Genel hedefimiz, evrenimizin en temel özelliklerinden bazılarını ölçmektir" dedi. "Karanlık enerjinin ve karanlık maddenin evrenimizin %95'ini oluşturduğunu biliyoruz, ancak gerçekte ne oldukları ve evrenin tarihi boyunca nasıl geliştikleri hakkında çok az şey biliyoruz. Karanlık madde kümeleri, Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi tarafından tahmin edilen bir fenomen olan zayıf yerçekimsel mercekleme yoluyla uzak galaksilerin ışığını bozar. Bu bozulma gerçekten çok küçük bir etkidir; tek bir galaksinin şekli algılanamayan bir miktarda bozulur. Ancak bu ölçümü 25 milyon galaksi için yaptığımızda, distorsiyonu oldukça yüksek bir hassasiyetle ölçebiliyoruz.” Can alıcı noktaya atlamak için: Ekip, evrenin karanlık maddesinin (kozmologlar tarafından "S" olarak bilinir) "yığınlılığı" için bir değer ölçtü.8”) 0.776, bu da diğer yerçekimsel mercekleme araştırmalarının görece yeni evrene bakıldığında bulduğu değerlerle uyumludur - ancak evrenin kökenlerine kadar uzanan Kozmik Mikrodalga Arka Planından elde edilen 0.83 değeriyle uyumlu değildir. Bu iki değer arasındaki fark küçüktür, ancak her iki değerin her birini doğrulayan daha fazla çalışma olduğu için, tesadüfi görünmüyor. Diğer olasılıklar, bu iki ölçümden birinde henüz fark edilmeyen bir hata veya yanlışlık olması veya standart kozmolojik modelin ilginç bir şekilde eksik olmasıdır. Princeton'ın Astrofizik Bilimler Departmanı başkanı ve HSC ekibinin liderlerinden biri olan Michael Strauss, "Burada hala oldukça temkinli davranıyoruz" dedi. "Modern kozmolojinin tamamen yanlış olduğunu yeni keşfettiğimizi söylemiyoruz, çünkü Roohi'nin de vurguladığı gibi, ölçtüğümüz etki çok ince bir etki. Şimdi ölçümü doğru yaptığımızı düşünüyoruz. Ve istatistikler bunun sadece şansa bağlı olma ihtimalinin 20'de bir olduğunu gösteriyor ki bu ikna edici ama tamamen kesin değil. Ancak astronomi camiasında bizler, birçok deneyde aynı sonuca vardıkça, bu ölçümleri yapmaya devam ettikçe, belki de bunun gerçek olduğunu anlıyoruz.” Ülker burcunun yedi yıldızı

Batılı gökbilimciler tarafından Pleiades olarak bilinen bu yıldız kümesi, Japonya'da Subaru olarak bilinir ve Hawai'i'deki Maunakea zirvesindeki 8.2 metrelik Subaru teleskobuna adını verir. Subaru, Japonya Ulusal Astronomik Gözlemevi tarafından işletilmektedir. (Resim: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Gözlemevi)

Verileri gizleme ve açığa çıkarma

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.

Dünyanın en büyük teleskop kamerasıyla dev bir anket

HSC, dünyadaki kendi boyutunda bir teleskop üzerindeki en büyük kameradır ve şu anda Şili And Dağları'nda yapım aşamasında olan Vera C. Rubin Gözlemevi 2024'ün sonlarında Eski Uzay ve Zaman Araştırması'na (LSST) başlayana kadar bu mantoyu taşıyacaktır. Aslında, HSC'den gelen ham veriler, LSST için tasarlanmış yazılımlarla işlenir. Princeton'da yardımcı araştırma görevlisi olan Andrés Plazas, "Yazılım işlem hatlarımızın, LSST'nin çok ilerisinde bu kadar büyük miktarda veriyi işleyebildiğini görmek büyüleyici," dedi. Araştırma ekibinin kullandığı anket, yaklaşık 420 dolunaya eşdeğer, gökyüzünün yaklaşık 2000 derece karesini kapsıyor. Tek bir bitişik gökyüzü parçası değil, her biri uzanmış bir yumrukla kapatabileceğiniz büyüklükte altı farklı parçaya bölünmüş. İnceledikleri 25 milyon galaksi o kadar uzak ki, bu galaksileri bugün oldukları gibi görmek yerine, HSC onların milyarlarca yıl önceki hallerini kaydetti. Bu galaksilerin her biri, on milyarlarca güneşin alevleriyle parlıyor, ancak çok uzakta oldukları için, çıplak gözle görebildiğimiz en sönük yıldızlardan 25 milyon kat daha sönük, son derece sönükler. Cambridge Üniversitesi'nde Kıdemli Kavli Üyesi olan kozmolog Alexandra Amon, "HSC işbirliğinden elde edilen bu sonuçları görmek son derece heyecan verici, özellikle de bu veriler, topluluğun birlikte üzerinde çalıştığı Rubin Gözlemevi'nden beklediklerimize en yakın olduğu için," dedi. Trinity College'da bu araştırmaya dahil olmayan kıdemli araştırmacı. "Derin araştırmaları güzel veriler sağlıyor. Diğer bağımsız zayıf mercekleme araştırmaları gibi HSC'nin de S için düşük bir değere işaret etmesi benim için ilgi çekici.8 - bu gerilimlerin ve eğilimlerin bizi durup bu verilerin Evrenimiz hakkında bize ne söylediğini düşünmeye zorlaması önemli ve heyecan verici!

Standart kozmolojik model

Dalal'a Princeton'da doktora sonrası araştırmacıyken bu projede danışmanlık yapan Bonn Üniversitesi'nden Andrina Nicola, standart kozmoloji modelinin bazı açılardan "şaşırtıcı derecede basit" olduğunu açıkladı. Model, evrenin yalnızca dört temel bileşenden oluştuğunu varsayar: sıradan madde (atomlar, çoğunlukla hidrojen ve helyum), karanlık madde, karanlık enerji ve fotonlar. Standart modele göre, evren 13.8 milyar yıl önceki Büyük Patlama'dan bu yana genişliyor: neredeyse mükemmel bir şekilde pürüzsüz bir şekilde başladı, ancak evrendeki ince dalgalanmalar üzerindeki yerçekimi çekimi, karanlık madde kümeleriyle sarılı galaksiler gibi yapılara neden oldu. oluşturmak üzere. Günümüz evreninde, sıradan maddenin, karanlık maddenin, karanlık enerjinin göreli katkıları yaklaşık %5, %25 ve %70'tir, artı fotonlardan gelen küçük bir katkı. Standart model yalnızca bir avuç sayı ile tanımlanır: evrenin genişleme oranı; karanlık maddenin ne kadar kümelenmiş olduğunun bir ölçüsü (S8); evreni oluşturan bileşenlerin göreli katkıları (yukarıdaki %5, %25, %70 sayıları); evrenin genel yoğunluğu; ve büyük ölçeklerdeki evrenin yığınlılığının küçük ölçeklerdekiyle nasıl ilişkili olduğunu açıklayan teknik bir nicelik. "Ve temelde bu kadar!" Strauss dedi. "Kozmolojik topluluk olarak biz, 2000'lerin başından beri yürürlükte olan bu model üzerinde birleştik." Kozmologlar, Kozmik Mikrodalga Arka Planındaki dalgalanmaları gözlemleyerek (ki bu aslında evrenin ilk 400,000 yıl sonra nasıl göründüğünü yakalayan bebek resmidir), genişlemeyi modellemek gibi çeşitli şekillerde bu sayıları sınırlayarak bu modeli test etmeye heveslidir. görece yakın geçmişte evrenin yığınlılığını ölçen evrenin tarihi ve diğerleri. "Toplumda, erken evrendeki (CMB'den ölçülen) kümelenme ölçümü ile 'sadece' 9 milyar yıl önceki galaksiler çağındaki kümelenme ölçümü arasında gerçek bir tutarsızlık olduğuna dair artan bir algıyı doğruluyoruz" dedi. Princeton'da araştırma görevlisi olan ve analize dahil olan Arun Kannawadi.

Beş saldırı hattı

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!”