Невідповідність темної матерії: космічна загадка в стандартній космологічній моделі

Міжнародна група вчених використовувала передові методи та камеру Hyper Suprime-Cam для вивчення «грудкості» темної матерії, виявивши значення S8 0,76, що суперечить значенню 0,83 за космічним мікрохвильовим фоном. Ця розбіжність може свідчити про помилки вимірювань або неповну стандартну космологічну модель.

Міжнародна група астрофізиків і космологів з різних інститутів, включаючи Інститут фізики та математики Всесвіту Кавлі (Kavli IPMU), подала серію з п’яти робіт, у яких вимірюється значення «грудкості» темної матерії Всесвіту, відомі космологи як S₈, 0,76, що узгоджується зі значеннями, які виявили інші обстеження гравітаційних лінз, дивлячись на відносно недавній Всесвіт, але це не узгоджується зі значенням 0,83, отриманим із космічного мікрохвильового фону, який сягає часів Всесвіту походження, коли Всесвіту було приблизно 380 000 років. Їхні результати були завантажені як документи для попереднього друку в arXiv.

Розрив між цими двома значеннями невеликий, але оскільки все більше і більше досліджень підтверджують кожне з двох значень, це не здається випадковим. Можливо, в одному з цих двох вимірювань є якась ще нерозпізнана помилка або стандартна космологічна модель неповна в якийсь цікавий спосіб.

Темна енергія та темна матерія складають 95% нашого Всесвіту, який ми бачимо сьогодні, але ми дуже мало розуміємо про те, що вони насправді являють собою та 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 об’єднання вимірювань для мільйонів галактик дозволяє виміряти викривлення з досить високою точністю», – сказав професор Kavli IPMU Масахіро Такада.

Стандартна модель визначається лише декількома цифрами: швидкістю розширення Всесвіту, мірою того, наскільки темна матерія згусткова, відносним внеском складових Всесвіту (матерії, темної матерії та темної матерії). енергія), загальна щільність Всесвіту та технічна величина, що описує, як грудкуватість Всесвіту у великих масштабах співвідноситься з такою у малих масштабах.

Космологи прагнуть перевірити цю модель, обмежуючи ці числа різними способами, наприклад, спостерігаючи за флуктуаціями космічного мікрохвильового фону, моделюючи історію розширення Всесвіту або вимірюючи складність Всесвіту у відносно недавньому минулому.

Команда під керівництвом астрономів з Kavli IPMU, Університету Токіо, Університету Нагоя , Університету Прінстона та астрономічних спільнот Японії та Тайваню провела минулий рік, щоб розкрити таємниці цього найбільш невловимого матеріалу, темної матерії, використовуючи складне комп’ютерне моделювання. і дані за перші три роки дослідження Hyper Suprime-Cam. Спостереження під час цього дослідження використовували одну з найпотужніших астрономічних камер у світі Hyper Suprime-Cam (HSC), встановлену на телескопі Subaru на вершині Маунакеа на Гаваях.

Приховування та розкриття даних

Команда провела «сліпий аналіз».

«Науковці — люди, і у них є переваги. Деякі хотіли б дійсно знайти щось принципово нове, тоді як інші могли б почуватися комфортно, якщо вони знайшли результати, які виглядають узгодженими з очікуваними результатами. Вчені достатньо усвідомлюють себе, щоб знати, що вони будуть упереджувати себе, якими б обережними вони не були, якщо не проведуть свій аналіз, не дозволяючи собі знати результати до кінця», – сказав Інститут походження імені Кобаясі-Маскави Нагойського університету. частинок і Всесвіту (KMI) Доцент Хіронао Міятаке.

Щоб захистити результати від таких упереджень, команда HSC місяцями приховувала свої результати від себе та своїх колег. Команда навіть додала додатковий шар обфускації: вони провели аналіз трьох різних галактичних каталогів, одного справжнього та двох фальшивих із числовими значеннями, зміщеними випадковими значеннями. Команда аналізу не знала, яке з них було справжнім, тож навіть якщо хтось випадково побачив значення, команда не дізналася, чи базувалися результати на справжньому каталозі, чи ні.

Команда витратила рік на сліпий аналіз. 3 грудня 2022 року команда зібралася на Zoom – одного суботнього ранку в Японії, п’ятничного вечора в Прінстоні – для «розкриття». Команда оприлюднила дані та провела свої графіки, і одразу побачила, що це чудово, за словами Такади. «Сліпий аналіз означає, що ви не можете пильнувати результати під час проведення аналізу, що було надзвичайно напруженим, але як тільки я побачив остаточний результат, усе це занепокоєння вилетіло з вікна», — сказав аспірант Kavli IPMU Сунао Сугіяма.

Приклад тривимірного розподілу темної матерії, отриманий за допомогою HSC-SSP. Ця карта отримана з використанням даних першого року, але нинішнє дослідження досліджувало область на небі приблизно в три рази більшу за цю. Авторство: Токійський університет/NAOJ

Величезне дослідження за допомогою найбільшої у світі камери телескопа

HSC є найбільшою камерою на телескопі такого розміру у світі. 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 розміром приблизно з витягнутий кулак людини. 25 мільйонів галактик, які обстежили дослідники, настільки віддалені, що замість того, щоб бачити 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. Джерело