Cách Nhìn Thấy Cái Vô Hình: Sử Dụng Sự Phân Bố Vật Chất Tối Để Kiểm Tra Mô Hình Vũ Trụ Của Chúng Ta

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

08 Tháng Tư, 2023 (Tin tức Nanowerk) Nó giống như một nghịch lý cổ điển: Làm thế nào để bạn nhìn thấy những thứ vô hình? Nhưng đối với các nhà thiên văn học hiện đại, đó là một thách thức thực sự: Làm thế nào để đo vật chất tối, thứ mà theo định nghĩa không phát ra ánh sáng? Câu trả lời: Bạn thấy nó tác động như thế nào đến những thứ bạn có thể nhìn thấy. Trong trường hợp vật chất tối, các nhà thiên văn học quan sát ánh sáng từ các thiên hà xa xôi uốn cong xung quanh nó như thế nào. Một nhóm quốc tế gồm các nhà vật lý thiên văn và vũ trụ học đã dành cả năm qua để khám phá những bí mật của loại vật liệu khó nắm bắt này, bằng cách sử dụng các mô phỏng máy tính tinh vi và quan sát từ một trong những máy ảnh thiên văn mạnh nhất trên thế giới, Hyper Suprime-Cam (HSC). Nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi các nhà thiên văn học từ Đại học Princeton và cộng đồng thiên văn của Nhật Bản và Đài Loan, sử dụng dữ liệu từ ba năm đầu tiên của cuộc khảo sát bầu trời HSC, một cuộc khảo sát hình ảnh trường rộng được thực hiện bằng kính viễn vọng Subaru 8.2 mét trên đỉnh của Maunakea ở Hawaii. Subaru được vận hành bởi Đài quan sát Thiên văn Quốc gia Nhật Bản; tên của nó là từ tiếng Nhật để chỉ cụm sao mà chúng ta gọi là Pleiades. Nhóm đã trình bày những phát hiện của mình tại một hội thảo trực tuyến có hơn 200 người tham dự và họ sẽ chia sẻ công việc của mình tại hội nghị “Khoa học tương lai với CMB x LSS” ở Nhật Bản.

[Nhúng nội dung]

Roohi Dalal, một sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý thiên văn tại Princeton cho biết: “Mục tiêu tổng thể của chúng tôi là đo lường một số tính chất cơ bản nhất của vũ trụ của chúng ta. “Chúng ta biết rằng năng lượng tối và vật chất tối chiếm 95% vũ trụ của chúng ta, nhưng chúng ta hiểu rất ít về chúng thực sự là gì và chúng đã phát triển như thế nào trong lịch sử của vũ trụ. Các khối vật chất tối làm biến dạng ánh sáng của các thiên hà xa xôi thông qua thấu kính hấp dẫn yếu, một hiện tượng được dự đoán bởi Thuyết tương đối rộng của Einstein. Sự biến dạng này là một hiệu ứng thực sự rất nhỏ; hình dạng của một thiên hà đơn lẻ bị bóp méo một lượng không thể nhận thấy. Nhưng khi chúng tôi thực hiện phép đo đó cho 25 triệu thiên hà, chúng tôi có thể đo độ méo với độ chính xác khá cao.” Để đi thẳng vào vấn đề: Nhóm nghiên cứu đã đo giá trị “độ vón cục” của vật chất tối của vũ trụ (được các nhà vũ trụ học gọi là “S8”) là 0.776, phù hợp với các giá trị mà các cuộc khảo sát về thấu kính hấp dẫn khác đã tìm thấy khi xem xét vũ trụ tương đối gần đây — nhưng nó không phù hợp với giá trị 0.83 được lấy từ Nền vi sóng vũ trụ, xuất hiện từ nguồn gốc của vũ trụ. Khoảng cách giữa hai giá trị này là nhỏ, nhưng khi ngày càng có nhiều nghiên cứu xác nhận từng giá trị trong số hai giá trị, thì điều đó dường như không phải là ngẫu nhiên. Các khả năng khác là có một số lỗi hoặc sai sót chưa được nhận dạng trong một trong hai phép đo này hoặc mô hình vũ trụ tiêu chuẩn không hoàn chỉnh theo một cách thú vị nào đó. Michael Strauss, chủ tịch Khoa Khoa học Vật lý Thiên văn của Princeton và là một trong những người lãnh đạo nhóm HSC cho biết: “Chúng tôi vẫn đang khá thận trọng ở đây. “Chúng tôi không nói rằng chúng tôi vừa phát hiện ra rằng vũ trụ học hiện đại hoàn toàn sai, bởi vì, như Roohi đã nhấn mạnh, hiệu ứng mà chúng tôi đang đo lường là một hiệu ứng rất tinh tế. Bây giờ, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã thực hiện phép đo đúng. Và số liệu thống kê chỉ ra rằng chỉ có một trong 20 khả năng đó chỉ là do ngẫu nhiên, điều này thuyết phục nhưng không hoàn toàn chắc chắn. Nhưng khi chúng tôi trong cộng đồng thiên văn học đi đến cùng một kết luận qua nhiều thí nghiệm, khi chúng tôi tiếp tục thực hiện các phép đo này, có lẽ chúng tôi thấy rằng nó là có thật.” Phế quản

Cụm sao này, được gọi là Pleiades đối với các nhà thiên văn học phương Tây, được gọi là Subaru ở Nhật Bản và đặt tên cho kính viễn vọng Subaru 8.2 mét trên đỉnh Maunakea ở Hawai'i. Subaru được điều hành bởi Đài quan sát Thiên văn Quốc gia Nhật Bản. (Ảnh: NASA, ESA, AURA/Caltech, Đài quan sát Palomar)

Ẩn và khám phá dữ liệu

Ý tưởng cho rằng cần có một số thay đổi trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, rằng có một phần vũ trụ học cơ bản nào đó chưa được khám phá, là một ý tưởng hết sức hấp dẫn đối với một số nhà khoa học. “Chúng ta là con người và chúng ta có những sở thích. Đó là lý do tại sao chúng tôi thực hiện cái mà chúng tôi gọi là phân tích 'mù quáng',” Strauss nói. “Các nhà khoa học đã đủ tự nhận thức để biết rằng chúng ta sẽ thiên vị bản thân, cho dù chúng ta có cẩn thận đến đâu, trừ khi chúng ta tiến hành phân tích mà không cho phép mình biết kết quả cho đến cuối cùng. Đối với tôi, tôi thực sự muốn tìm thấy điều gì đó mới mẻ về cơ bản. Điều đó sẽ thực sự thú vị. Nhưng vì tôi có thành kiến theo hướng đó nên chúng tôi muốn hết sức cẩn thận để không để điều đó ảnh hưởng đến bất kỳ phân tích nào mà chúng tôi thực hiện.” Để bảo vệ công việc của mình khỏi những thành kiến, họ đã giấu kết quả của mình với bản thân và đồng nghiệp theo đúng nghĩa đen - tháng này qua tháng khác. Dalal cho biết: “Tôi đã thực hiện phân tích này trong một năm và không thấy được những giá trị mang lại”. Nhóm nghiên cứu thậm chí còn bổ sung thêm một lớp khó hiểu: họ tiến hành phân tích trên ba danh mục thiên hà khác nhau, một danh mục thực và hai danh mục có các giá trị số được bù bằng các giá trị ngẫu nhiên. Cô nói: “Chúng tôi không biết cái nào trong số chúng là thật, vì vậy ngay cả khi ai đó vô tình nhìn thấy các giá trị, chúng tôi cũng không biết liệu kết quả có dựa trên danh mục thật hay không”. Vào ngày 16 tháng XNUMX, nhóm quốc tế đã tập trung lại trên Zoom – vào buổi tối ở Princeton, buổi sáng ở Nhật Bản và Đài Loan – để “mở mắt”. Strauss nói: “Nó giống như một buổi lễ, một nghi lễ mà chúng tôi đã trải qua. “Chúng tôi công bố dữ liệu và chạy các âm mưu của mình, ngay lập tức chúng tôi thấy nó thật tuyệt vời. Mọi người đều thốt lên, 'Ồ, ồ!' và mọi người đều rất hạnh phúc.” Dalal và bạn cùng phòng của cô ấy đã khui một chai sâm panh vào đêm đó.

Một cuộc khảo sát khổng lồ với máy ảnh kính viễn vọng lớn nhất thế giới

HSC là máy ảnh lớn nhất trên kính viễn vọng có kích thước như vậy trên thế giới, nó sẽ giữ vững vị trí cho đến khi Đài quan sát Vera C. Rubin hiện đang được xây dựng ở Andes thuộc Chile, bắt đầu Khảo sát Di sản về Không gian và Thời gian (LSST) vào cuối năm 2024. Trên thực tế, dữ liệu thô từ HSC được xử lý bằng phần mềm được thiết kế cho LSST. Andrés Plazas, một học giả nghiên cứu liên kết tại Princeton cho biết: “Thật thú vị khi thấy rằng các đường ống phần mềm của chúng tôi có thể xử lý lượng dữ liệu lớn như vậy trước LSST. Cuộc khảo sát mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng bao phủ khoảng 420 độ vuông của bầu trời, tương đương với 2000 mặt trăng tròn. Nó không phải là một mảng trời liền kề đơn lẻ, mà được chia thành sáu mảnh khác nhau, mỗi mảnh có kích thước mà bạn có thể dang rộng nắm tay bao phủ. 25 triệu thiên hà mà họ khảo sát ở rất xa nên thay vì nhìn thấy các thiên hà này như hiện nay, HSC đã ghi lại chúng như thế nào hàng tỷ năm trước. Mỗi thiên hà này phát sáng bằng ngọn lửa của hàng chục tỷ mặt trời, nhưng vì ở quá xa nên chúng vô cùng mờ nhạt, mờ hơn gấp 25 triệu lần so với những ngôi sao mờ nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường. “Thật thú vị khi thấy những kết quả này từ sự hợp tác của HSC, đặc biệt là khi dữ liệu này gần nhất với những gì chúng tôi mong đợi từ Đài quan sát Rubin, mà cộng đồng đang cùng nhau hướng tới,” nhà vũ trụ học Alexandra Amon, Nghiên cứu sinh Kavli cấp cao tại Đại học Cambridge và là một nhà khoa học cho biết. nhà nghiên cứu cấp cao tại Trinity College, người không tham gia vào nghiên cứu này. “Khảo sát sâu của họ tạo ra dữ liệu đẹp. Đối với tôi, điều thú vị là HSC, giống như các cuộc khảo sát thấu kính yếu độc lập khác, chỉ ra giá trị thấp cho S8 — đó là sự xác thực quan trọng và thú vị là những căng thẳng và xu hướng này buộc chúng ta phải tạm dừng và suy nghĩ xem dữ liệu đó đang cho chúng ta biết điều gì về Vũ trụ của chúng ta!”

Mô hình vũ trụ tiêu chuẩn

Andrina Nicola của Đại học Bonn, người đã tư vấn cho Dalal về dự án này khi cô còn là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Princeton, giải thích rằng mô hình chuẩn của vũ trụ học “đơn giản một cách đáng kinh ngạc” theo một số cách. Mô hình cho rằng vũ trụ chỉ được tạo thành từ bốn thành phần cơ bản: vật chất thông thường (các nguyên tử, chủ yếu là hydro và heli), vật chất tối, năng lượng tối và photon. Theo mô hình chuẩn, vũ trụ đã và đang giãn nở kể từ vụ nổ Big Bang 13.8 tỷ năm trước: nó bắt đầu gần như hoàn toàn trơn tru, nhưng lực hấp dẫn tác động lên những dao động tinh tế trong vũ trụ đã tạo ra cấu trúc — các thiên hà được bao bọc trong các khối vật chất tối — hình thành. Trong vũ trụ ngày nay, sự đóng góp tương đối của vật chất thông thường, vật chất tối, năng lượng tối là khoảng 5%, 25% và 70%, cộng với sự đóng góp rất nhỏ từ các photon. Mô hình chuẩn chỉ được xác định bởi một số con số: tốc độ giãn nở của vũ trụ; thước đo độ vón cục của vật chất tối (S8); sự đóng góp tương đối của các thành phần cấu tạo nên vũ trụ (các con số 5%, 25%, 70% ở trên); mật độ chung của vũ trụ; và một đại lượng kỹ thuật mô tả mức độ vón cục của vũ trụ ở quy mô lớn liên quan đến vũ trụ ở quy mô nhỏ. “Và về cơ bản là thế!” Strauss nói. “Chúng tôi, cộng đồng vũ trụ học, đã hội tụ về mô hình này, mô hình đã được áp dụng từ đầu những năm 2000.” Các nhà vũ trụ học háo hức thử nghiệm mô hình này bằng cách hạn chế những con số này theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như bằng cách quan sát các dao động trong Nền vi sóng vũ trụ (về bản chất là bức tranh sơ khai của vũ trụ, ghi lại hình dáng của nó sau 400,000 năm đầu tiên), mô hình hóa quá trình giãn nở lịch sử của vũ trụ, đo lường sự vón cục của vũ trụ trong quá khứ tương đối gần đây, và những thứ khác. “Chúng tôi đang xác nhận ý thức ngày càng tăng trong cộng đồng rằng có sự khác biệt thực sự giữa phép đo độ vón cục trong vũ trụ sơ khai (được đo từ CMB) và từ kỷ nguyên thiên hà, 'chỉ' 9 tỷ năm trước, cho biết Arun Kannawadi, một học giả nghiên cứu liên kết tại Princeton, người đã tham gia phân tích.

Năm dòng tấn công

Công trình của Dalal thực hiện cái gọi là phân tích không gian Fourier; một phân tích song song về không gian thực được dẫn dắt bởi Xiangchong Li của Đại học Carnegie Mellon, người đã cộng tác chặt chẽ với Rachel Mandelbaum, người đã hoàn thành chương trình vật lý AB vào năm 2000 và bằng Tiến sĩ. vào năm 2006, cả hai đều đến từ Princeton. Phân tích thứ ba, gọi là phân tích 3×2 điểm, sử dụng một cách tiếp cận khác để đo tín hiệu thấu kính hấp dẫn xung quanh từng thiên hà, để hiệu chỉnh lượng vật chất tối liên kết với mỗi thiên hà. Phân tích đó được dẫn dắt bởi Sunao Sugiyama thuộc Đại học Tokyo, Hironao Miyatake (cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Princeton) của Đại học Nagoya và Surhud More thuộc Trung tâm Thiên văn và Vật lý thiên văn liên đại học ở Pune, Ấn Độ. Năm bộ phân tích này đều sử dụng dữ liệu HSC để đưa ra cùng một kết luận về S8. Dalal cho biết, thực hiện cả phân tích không gian thực và phân tích không gian Fourier “là một dạng kiểm tra độ tỉnh táo”. Cô và Li đã hợp tác chặt chẽ để phối hợp phân tích bằng cách sử dụng dữ liệu mù. Bất kỳ sự khác biệt nào giữa hai điều đó sẽ nói lên rằng phương pháp của các nhà nghiên cứu đã sai. “Nó sẽ cho chúng ta biết ít hơn về vật lý thiên văn mà nhiều hơn về việc chúng ta có thể đã mắc sai lầm như thế nào,” Dalal nói. Cô nói: “Chúng tôi đã không biết cho đến khi rõ ràng rằng hai kết quả này hoàn toàn giống nhau. “Cảm giác thật kỳ diệu.” Sunao nói thêm: “Phân tích 3 × 2 điểm của chúng tôi kết hợp phân tích thấu kính yếu với sự tập trung của các thiên hà. Chỉ sau khi làm rõ chúng tôi mới biết rằng kết quả của chúng tôi rất phù hợp với kết quả của Roohi và Xiangchong. Thực tế là tất cả những phân tích này đều đưa ra cùng một câu trả lời giúp chúng tôi tự tin rằng mình đang làm điều gì đó đúng đắn!”