Як побачити невидиме: використання розподілу темної матерії для перевірки нашої космологічної моделі

Перевидано Платоном

читають: 0

08 квітня 2023 (Новини Nanowerk) Це схоже на класичний парадокс: як ти бачиш невидиме? Але для сучасних астрономів це дуже серйозне завдання: як виміряти темну матерію, яка за визначенням не випромінює світла? Відповідь: ви бачите, як це впливає на те, що ви бачите. У випадку темної матерії астрономи спостерігають, як світло від далеких галактик огинається навколо неї. Міжнародна команда астрофізиків і космологів провела минулий рік, розкриваючи секрети цього невловимого матеріалу, використовуючи складне комп’ютерне моделювання та спостереження за допомогою однієї з найпотужніших астрономічних камер у світі Hyper Suprime-Cam (HSC). Групу очолювали астрономи з Прінстонського університету та астрономічні спільноти Японії та Тайваню, використовуючи дані перших трьох років дослідження неба HSC, широкого поля зображення, виконаного за допомогою 8.2-метрового телескопа Subaru на вершині Маунакеа на Гаваях. Subaru управляється Національною астрономічною обсерваторією Японії; його назва — це японське слово для скупчення зірок, яке ми називаємо Плеядами. Команда представила свої висновки на вебінарі, який відвідали понад 200 осіб, і вони поділяться своєю роботою на конференції «Future Science with CMB x LSS» в Японії.

[Вбудоване вміст]

«Наша загальна мета — виміряти деякі з найбільш фундаментальних властивостей нашого Всесвіту», — сказав Рухі Далал, аспірант кафедри астрофізики Прінстонського університету. «Ми знаємо, що темна енергія і темна матерія складають 95% нашого Всесвіту, але ми дуже мало розуміємо про те, що вони насправді являють собою і як вони еволюціонували протягом історії Всесвіту. Згустки темної матерії спотворюють світло далеких галактик через слабке гравітаційне лінзування, явище, передбачене Загальною теорією відносності Ейнштейна. Це спотворення є дуже, дуже незначним ефектом; форма окремої галактики спотворюється непомітно. Але коли ми робимо це вимірювання для 25 мільйонів галактик, ми можемо виміряти викривлення з досить високою точністю». Щоб перейти до суті: команда виміряла значення «грудкості» темної матерії Всесвіту (відоме космологам як «S8”) 0.776, що збігається зі значеннями, які були знайдені іншими дослідженнями гравітаційних лінз при дослідженні відносно недавнього Всесвіту, але воно не збігається зі значенням 0.83, отриманим з космічного мікрохвильового фону, який сягає походження Всесвіту. Розрив між цими двома значеннями невеликий, але оскільки все більше і більше досліджень підтверджують кожне з двох значень, це не здається випадковим. Інші можливості полягають у тому, що в одному з цих двох вимірювань є якась ще нерозпізнана помилка або стандартна космологічна модель неповна в якийсь цікавий спосіб. «Ми все ще досить обережні», — сказав Майкл Штраус, голова Прінстонського відділу астрофізичних наук і один із керівників групи HSC. «Ми не кажемо, що щойно виявили, що сучасна космологія помиляється, тому що, як підкреслив Рухі, ефект, який ми вимірюємо, дуже тонкий. Тепер ми вважаємо, що виміряли правильно. І статистика показує, що існує лише один із 20 шансів, що це просто випадковість, що є переконливим, але не цілком остаточним. Але оскільки ми в астрономічній спільноті приходимо до одного висновку в ході багатьох експериментів, продовжуючи ці вимірювання, можливо, ми виявляємо, що це реально».

Це скупчення зірок, відоме західним астрономам як Плеяди, в Японії відоме як Субару і дало назву 8.2-метровому телескопу Субару на вершині Маунакеа на Гаваях. Subaru управляється Національною астрономічною обсерваторією Японії. (Зображення: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory)

Приховування та розкриття даних

Ідея про те, що в стандартній космологічній моделі потрібні деякі зміни, що існує якась фундаментальна частина космології, яку ще належить відкрити, є неймовірно привабливою для деяких учених. «Ми люди, і у нас є переваги. Ось чому ми проводимо те, що ми називаємо «сліпим» аналізом», – сказав Штраус. «Науковці достатньо усвідомили себе, щоб знати, що ми будемо упереджувати себе, незалежно від того, наскільки ми обережні, якщо не проведемо свій аналіз, не дозволивши собі знати результати до кінця. Для мене хотілося б дійсно знайти щось принципово нове. Це було б справді захоплююче. Але оскільки я упереджений у цьому напрямку, ми хочемо бути дуже обережними, щоб це не вплинуло на будь-який аналіз, який ми проводимо». Щоб захистити свою роботу від упереджень, вони буквально приховували свої результати від себе та своїх колег — місяць за місяцем за місяцем. «Я працював над цим аналізом рік і не зміг побачити значення, які виходили», — сказав Далал. Команда навіть додала додатковий шар обфускації: вони провели аналіз трьох різних каталогів галактик, одного реального та двох із числовими значеннями, зміщеними випадковими значеннями. «Ми не знали, яка з них була справжньою, тож навіть якби хтось випадково побачив значення, ми б не знали, базувалися результати на справжньому каталозі чи ні», — сказала вона. 16 лютого міжнародна команда зібралася на Zoom — увечері в Прінстоні, вранці в Японії та на Тайвані — для «розкриття». "Це було схоже на церемонію, ритуал, через який ми пройшли", - сказав Штраус. «Ми оприлюднили дані та провели наші графіки, і відразу побачили, що це чудово. Усі вигукнули: «Ой, вау!» і всі були дуже щасливі». Того вечора Далал і її сусід по кімнаті випили пляшку шампанського.

Величезне дослідження за допомогою найбільшої у світі камери телескопа

HSC є найбільшою камерою на телескопі такого розміру у світі, мантією, яку він утримуватиме, доки обсерваторія Віри К. Рубін, яка зараз будується в чилійських Андах, не почне Дослідження простору та часу (LSST) наприкінці 2024 року. Насправді необроблені дані з HSC обробляються за допомогою програмного забезпечення, розробленого для LSST. «Дивно бачити, що наші конвеєри програмного забезпечення здатні обробляти таку велику кількість даних набагато раніше, ніж LSST», — сказав Андрес Плазас, науковий співробітник Прінстонського університету. Огляд, який використала дослідницька група, охоплює близько 420 квадратних градусів неба, що приблизно еквівалентно 2000 повним місяцям. Це не один суміжний шматок неба, а розділений на шість різних частин, кожна приблизно такого розміру, що ви можете охопити її витягнутим кулаком. 25 мільйонів досліджених галактик настільки віддалені, що замість того, щоб побачити ці галактики такими, якими вони є сьогодні, HSC записав, якими вони були мільярди років тому. Кожна з цих галактик світиться вогнем десятків мільярдів сонць, але через те, що вони так далеко, вони надзвичайно тьмяні, у 25 мільйонів разів тьмяніші за найтьмяніші зірки, які ми можемо побачити неозброєним оком. «Надзвичайно цікаво бачити ці результати співпраці HSC, особливо тому, що ці дані найближче до тих, що ми очікуємо від обсерваторії Рубін, над якою спільнота працює разом», — сказала космолог Олександра Амон, старший науковий співробітник Кавлі в Кембриджському університеті та старший науковий співробітник Трініті-коледжу, який не брав участі в цьому дослідженні. «Їхнє глибоке дослідження дає чудові дані. Для мене інтригує те, що HSC, як і інші незалежні дослідження слабких лінз, вказують на низьке значення S8 — це важливе підтвердження, і захоплююче те, що ці напруження та тенденції змушують нас зупинитися та подумати про те, що ці дані говорять нам про наш Всесвіт!»

Стандартна космологічна модель

Стандартна модель космології в певному сенсі «напрочуд проста», пояснила Андріна Нікола з Боннського університету, яка консультувала Далал щодо цього проекту, коли вона була докторантом у Прінстоні. Модель передбачає, що Всесвіт складається лише з чотирьох основних складових: звичайної матерії (атомів, переважно водню та гелію), темної матерії, темної енергії та фотонів. Згідно зі стандартною моделлю, Всесвіт розширювався з моменту Великого вибуху 13.8 мільярдів років тому: він почався майже ідеально гладко, але сила тяжіння на тонких коливаннях у Всесвіті спричинила структуру — галактики, оповиті згустками темної матерії — формувати. У сучасному Всесвіті відносний внесок звичайної матерії, темної матерії та темної енергії становить близько 5%, 25% і 70% плюс невеликий внесок фотонів. Стандартна модель визначається лише кількома цифрами: швидкість розширення Всесвіту; міра того, наскільки темна матерія згусткова (S8); відносний внесок складових Всесвіту (цифри 5%, 25%, 70% вище); загальна щільність Всесвіту; і технічна величина, що описує, як громіздкість Всесвіту у великих масштабах співвідноситься з такою у малих масштабах. «І це в принципі все!» – сказав Штраус. «Ми, космологічна спільнота, зійшлися на цій моделі, яка існує з початку 2000-х». Космологи прагнуть перевірити цю модель, обмежуючи ці числа різними способами, наприклад, спостерігаючи за коливаннями космічного мікрохвильового фону (який, по суті, є малюнком Всесвіту, що показує, як він виглядав після перших 400,000 9 років), моделюючи розширення історія Всесвіту, вимірювання громіздкості Всесвіту у відносно недавньому минулому та інші. «Ми підтверджуємо, що в спільноті зростає думка про те, що існує реальна розбіжність між вимірюванням згустків у ранньому Всесвіті (виміряним за CMB) і результатами ери галактик, «лише» XNUMX мільярдів років тому», — сказав він. Арун Каннаваді, науковий співробітник Прінстонського університету, який брав участь в аналізі.

П'ять ліній атаки

Робота Далала виконує так званий аналіз простору Фур'є; паралельний аналіз реального простору проводився під керівництвом Сянчонг Лі з Університету Карнегі-Меллона, який працював у тісній співпраці з Рейчел Мандельбаум, яка закінчила бакалавра з фізики в 2000 році та отримала ступінь доктора філософії. у 2006 році, обидва з Прінстона. Третій аналіз, так званий 3×2-точковий аналіз, використовує інший підхід до вимірювання сигналу гравітаційної лінзи навколо окремих галактик, щоб відкалібрувати кількість темної матерії, пов’язаної з кожною галактикою. Цей аналіз очолювали Сунао Сугіяма з Токійського університету, Хіронао Міятаке (колишній докторант Прінстонського університету) з Нагойського університету та Сурхуд Мор з Міжуніверситетського центру астрономії та астрофізики в Пуні, Індія. Кожен із цих п’яти наборів аналізів використовує дані HSC, щоб дійти однакового висновку щодо S8. Виконання як аналізу реального простору, так і аналізу простору Фур’є «було свого роду перевіркою розуму», - сказала Далал. Вона та Лі тісно співпрацювали, щоб координувати свої аналізи, використовуючи сліпі дані. Будь-які розбіжності між цими двома означатимуть, що методологія дослідників була неправильною. «Це розповість нам менше про астрофізику, а більше про те, як ми могли облажатися», — сказала Далал. «До розкриття ми не знали, що два результати абсолютно ідентичні», — сказала вона. «Це було неймовірно». Сунао додав: «Наш 3×2-точковий аналіз поєднує аналіз слабких лінз із групуванням галактик. Лише після розкриття ми зрозуміли, що наші результати чудово узгоджуються з результатами Roohi та Xiangchong. Той факт, що всі ці аналізи дають однакову відповідь, дає нам впевненість, що ми щось робимо правильно!»