Ответ: Вы видите, как это влияет на то, что вы мочь видеть. В случае с темной материей астрономы наблюдают, как свет от далеких галактик огибает ее.

Международная команда астрофизиков и космологов провела прошедший год, раскрывая секреты этого неуловимого материала, используя сложное компьютерное моделирование и наблюдения с одной из самых мощных астрономических камер в мире - Hyper Suprime-Cam (HSC). Команда, возглавляемая астрономами из Принстонского университета и астрономических сообществ Японии и Тайваня, использовала данные за первые три года проведения HSC sky survey - широкоугольной съемки, проведенной с помощью 8,2-метрового телескопа Subaru на вершине Маунакеа на Гавайях. Субару управляется Национальной астрономической обсерваторией Японии; ее название происходит от японского слова, обозначающего скопление звезд, которое мы называем Плеядами.

Команда представила свои выводы на вебинаре, в котором приняли участие более 200 человек, и они поделятся своей работой на конференции "Наука будущего с CMB x LSS" в Японии.

"Наша общая цель - измерить некоторые из наиболее фундаментальных свойств нашей Вселенной", - сказал Рухи Далал, аспирант кафедры астрофизики Принстонского университета. "Мы знаем, что темная энергия и темная материя составляют 95% нашей Вселенной, но мы очень мало понимаем о том, что они собой представляют на самом деле и как они эволюционировали на протяжении истории Вселенной. Скопления темной материи искажают свет далеких галактик из-за слабого гравитационного линзирования - явления, предсказанного Общей теорией относительности Эйнштейна. Это искажение - действительно, очень незначительный эффект; форма отдельной галактики искажается на незаметную величину. Но когда мы проводим это измерение для 25 миллионов галактик, мы можем измерить искажение с довольно высокой точностью".

Перейдем к главному: команда измерила величину "комковатости" темной материи Вселенной (известной космологам как "S₈") 0,776, что согласуется со значениями, которые были обнаружены другими исследованиями гравитационного линзирования при изучении относительно недавней Вселенной, но это не согласуется со значением 0,83, полученным из космического микроволнового фона, который восходит к истокам Вселенной.

Разрыв между этими двумя значениями невелик, но по мере того, как все больше и больше исследований подтверждают каждое из двух значений, он не кажется случайным. Другие возможности заключаются в том, что в одном из этих двух измерений имеется какая-то пока еще непризнанная ошибка или недоразумение, или стандартная космологическая модель каким-то интересным образом неполна.

"Мы по-прежнему проявляем здесь довольно осторожность", - сказал Майкл Штраус, заведующий кафедрой астрофизических наук Принстона и один из руководителей команды HSC. "Мы не говорим, что только что обнаружили, что вся современная космология неверна, потому что, как подчеркнул Рухи, эффект, который мы измеряем, очень тонкий. Теперь мы думаем, что провели измерения правильно. И статистика показывает, что есть только один шанс из 20, что это просто случайность, которая убедительна, но не совсем окончательна. Но поскольку мы в астрономическом сообществе приходим к одному и тому же выводу в результате многочисленных экспериментов, поскольку мы продолжаем проводить эти измерения, возможно, мы обнаруживаем, что это реально ".

Скрытие и раскрытие данных

Идея о том, что в стандартной космологической модели необходимы некоторые изменения, что существует какая-то фундаментальная часть космологии, которую еще предстоит открыть, является восхитительно заманчивой для некоторых ученых.

"Мы люди, и у нас действительно есть предпочтения. Вот почему мы проводим то, что называем "слепым" анализом", - сказал Штраус. "Ученые стали достаточно самосознательными, чтобы понимать, что мы будем предвзяты, какими бы осторожными мы ни были, если не проведем наш анализ, не позволив себе узнать результаты до конца. Что касается меня, то я бы действительно хотел найти что-то принципиально новое. Это было бы по-настоящему захватывающе. Но поскольку я предвзят в этом направлении, мы хотим быть очень осторожными, чтобы не позволить этому повлиять на любой анализ, который мы проводим ".

Чтобы защитить свою работу от предубеждений, они в буквальном смысле скрывали свои результаты от самих себя и своих коллег - месяц за месяцем.

"Я работал над этим анализом в течение года и не смог увидеть значения, которые получались", - сказал Далал.

Команда даже добавила дополнительный запутывающий слой: они провели свой анализ по трем разным каталогам галактик, одному реальному и двум с числовыми значениями, смещенными случайными значениями.

"Мы не знали, какой из них настоящий, поэтому, даже если бы кто-то случайно увидел значения, мы бы не знали, основаны ли результаты на реальном каталоге или нет", - сказала она.

16 февраля международная команда собралась вместе на Zoom - вечером в Принстоне, утром в Японии и на Тайване - для "разблокировки".

"Это было похоже на церемонию, ритуал, через который мы прошли", - сказал Штраус. "Мы обнародовали данные и запустили наши графики, сразу же увидев, что это здорово. Все воскликнули: "О, фью!" - и все были очень счастливы".

В тот вечер Далал и ее соседка по комнате распили бутылку шампанского.

Масштабный обзор с помощью самой большой в мире телескопической камеры

HSC - самая большая камера на телескопе такого размера в мире, и она будет находиться в мантии до тех пор, пока строящаяся в настоящее время обсерватория Веры К. Рубин в Чилийских Андах не начнет исследование пространства и времени Legacy Survey of Space and Time (LSST) в конце 2024 года. Фактически, исходные данные из HSC обрабатываются с помощью программного обеспечения, разработанного для LSST. "Удивительно видеть, что наши программные конвейеры способны обрабатывать такие большие объемы данных намного раньше, чем LSST", - сказал Андрес Плазас, младший научный сотрудник Принстонского университета.

Съемка, которую использовала исследовательская группа, охватывает около 420 квадратных градусов неба, что примерно эквивалентно 2000 полным лунам. Это не единый непрерывный кусок неба, а разделенный на шесть разных кусочков, каждый размером с вытянутый кулак. 25 миллионов галактик, которые они обследовали, настолько далеки, что вместо того, чтобы видеть эти галактики такими, какие они есть сегодня, HSC зафиксировал, какими они были миллиарды лет назад.

Каждая из этих галактик сияет огнями десятков миллиардов солнц, но из-за того, что они находятся так далеко, они чрезвычайно тусклы, в целых 25 миллионов раз слабее самых слабых звезд, которые мы можем видеть невооруженным глазом.

"Чрезвычайно интересно видеть эти результаты сотрудничества HSC, особенно потому, что эти данные наиболее близки к тем, которые мы ожидаем от обсерватории Рубина, над достижением которых сообщество работает сообща", - сказала космолог Александра Амон, старший научный сотрудник Kavli в Кембриджском университете и старший научный сотрудник Тринити-колледжа, которая не принимала участия. в этом исследовании. "Их глубокий опрос позволяет получить прекрасные данные. Для меня интригует, что HSC, как и другие независимые исследования со слабым линзированием, указывают на низкое значение S₈ -- это важная проверка, и захватывающе, что эти напряжения и тенденции заставляют нас остановиться и подумать о том, что эти данные говорят нам о нашей Вселенной!"

Стандартная космологическая модель

Стандартная модель космологии в некотором смысле "поразительно проста", объяснила Андрина Никола из Боннского университета, которая консультировала Далал по этому проекту, когда она была аспиранткой в Принстоне. Модель утверждает, что Вселенная состоит всего из четырех основных составляющих: обычной материи (атомы, в основном водород и гелий), темной материи, темной энергии и фотонов.

Согласно стандартной модели, Вселенная расширялась с момента Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад: все началось почти идеально гладко, но гравитационное притяжение, вызванное едва заметными колебаниями во Вселенной, привело к образованию структуры - галактик, окутанных сгустками темной материи. В современной вселенной относительный вклад обычной материи, темной материи и темной энергии составляет около 5%, 25% и 70%, плюс крошечный вклад фотонов.

Стандартная модель определяется всего несколькими числами: скоростью расширения Вселенной; мерой того, насколько плотной является темная материя.₈); относительный вклад составляющих Вселенной (приведенные выше цифры 5%, 25%, 70%); общая плотность Вселенной; и техническая величина, описывающая, как плотность Вселенной в больших масштабах соотносится с плотностью Вселенной в малых масштабах.

"И это, по сути, все!" - сказал Штраус. "Мы, космологическое сообщество, сошлись на этой модели, которая существует с начала 2000-х годов".

Космологи стремятся проверить эту модель, ограничивая эти цифры различными способами, такими как наблюдение за колебаниями космического микроволнового фона (который, по сути, является детским изображением Вселенной, запечатлевающим, как она выглядела после первых 400 000 лет существования), моделирование истории расширения Вселенной, измерение плотности Вселенной. вселенная в относительно недавнем прошлом и другие.

"Мы подтверждаем растущее в сообществе ощущение того, что существует реальное расхождение между измерениями скопления в ранней Вселенной (измеренными по CMB) и измерениями эпохи галактик "всего" 9 миллиардов лет назад", - сказал Арун Каннавади, младший научный сотрудник Принстонского университета, который был участвующий в анализе.

Пять линий атаки

В работе Далала используется так называемый анализ в пространстве Фурье; параллельным анализом в реальном пространстве руководил Сянчонг Ли из Университета Карнеги-Меллон, который работал в тесном сотрудничестве с Рэйчел Мандельбаум, получившей степень бакалавра физики в 2000 году и степень доктора философии в 2006 году, обе из Принстона. Третий анализ, так называемый анализ 3х2 точек, использует другой подход к измерению сигнала гравитационного линзирования вокруг отдельных галактик, чтобы откалибровать количество темной материи, связанной с каждой галактикой. Этим анализом руководили Сунао Сугияма из Токийского университета, Хиронао Миятаке (бывший постдокторант Принстона) из Университета Нагои и Сурхуд Мор из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия.

Каждый из этих пяти наборов анализов использует данные HSC, чтобы прийти к одному и тому же выводу о S₈.

Проведение как анализа в реальном пространстве, так и анализа в пространстве Фурье "было своего рода проверкой на вменяемость", - сказал Далал. Она и Ли тесно сотрудничали, чтобы скоординировать свои анализы, используя слепые данные. Любые расхождения между этими двумя данными говорили бы о том, что методология исследователей была неверной. "Это рассказало бы нам меньше об астрофизике и больше о том, как мы могли облажаться", - сказал Далал.

"До момента разблокирования мы не знали, что два результата были абсолютно идентичными", - сказала она. "Это было чудесно".

Сунао добавил: "Наш анализ 3х2 точек сочетает в себе анализ слабого линзирования с кластеризацией галактик. Только после разблокировки мы узнали, что наши результаты прекрасно согласуются с результатами Рухи и Сянчуна. Тот факт, что все эти анализы дают один и тот же ответ, дает нам уверенность в том, что мы делаем что-то правильно!"