Najdokładniejszy jak dotąd pomiar dystrybucji ciemnej materii

Najdokładniejszy jak dotąd pomiar dystrybucji ciemnej materiiOriginal Press Release
Dwa zespoły fizyków z amerykańskich narodowych laboratoriów Fermilab i Berkeley Lab, wykonały niezależnie od siebie bezpośrednich pomiarów niewidzialnego rusztowania wszechświata na największych skalach, budując mapę ciemnej materii za pomocą nowych metod, które pomogą usunąć kluczowe bariery dla zrozumienia ciemnej energii za pomocą teleskopów naziemnych.

Opracowane przez nas procesy korygowania obrazów powinny okazać się cennym narzędziem dla następnej generacji przeglądów słabego soczewkowania

Huan Lin, Fermilab

Zespoły poszukiwały drobnych zakłóceń w obrazach odległych galaktyk, spowodowanych przez grawitacyjne oddziaływanie masywnych choć niewidzialnych struktur ciemnej materii znajdującej się na pierwszym planie. Zakłócenia te, określane są mianem kosmicznego ścinania (od naprężeń stycznych do powierzchni, ang. cosmic shearing, optycznie przesuwających nieco obrazy względem osi obserwacji). Dokładne wyznaczenie dystrybucji tych struktur ciemnej materii oraz zmian, jakie zachodziły w niej w trakcie ewolucji Wszechświata może być najbardziej wrażliwym z niewielu jak na razie narzędzi dostępnych dla fizyków w ich nieustających wysiłkach zmierzających do zrozumienia tajemniczej ciemnej energii rozciągającej przestrzeń.

W swych badaniach oba zespoły polegały na rozległych bazach danych obrazów Wszechświata zgromadzonych w ramach cyfrowego przeglądu nieba Sloana (SDSS – Sloan Digital Sky Survey), które zostały zebrane w dużej mierze przy udziale Berkeley Lab i Fermilab.

„Wyniki te są bardzo obiecujące dla przyszłych dużych przeglądów nieba. Uzyskane dane prowadzą do uzyskania zdjęć, na których widzimy dużo więcej galaktyk we Wszechświecie widząc takie, które są sześć razy słabsze – a zarazem bardziej odległe  w czasie – niż byłoby to możliwe z wykorzystaniem pojedynczych obrazów „- mówi Huan Lin, fizyk Fermilab i członek zespołów SDSS i Dark Energy Survey (DES).

W nadchodzących latach kilka dużych przeglądów astronomicznych, takich jak Dark Energy Survey, Large Synoptic Survey Telescope, i HyperSuprimeCam survey, zamierza podjąć próby zmierzyenia kosmicznego ścinania. Słabe efekty soczewkowania są tak subtelne, że sam seeing – zakłócenia atmosferyczne, powodujące między innymi migotanie gwiazd nocą – stanowi ogromne wyzwanie dla pomiarów. Do tej pory naziemne pomiary kosmicznego ścinania nie był w stanie całkowicie i w sposób nie budzący wątpliwości oddzielić efektów słabego soczewkowania do zakłóceń atmosferycznych.

„Wspólnota naukowa od lat przygotowuje się do pomiarów kosmicznego ścinania „- mówi Huff, astronom z Berkeley Lab. -” Jednak sceptycy mają nadal wątpliwości, czy mogą one zostać wykonane na tyle dokładnie, aby ograniczyć zakres możliwych parametrów ciemnej energii. Wykazanie za pomocą naszych badań faktu, że możemy osiągnąć wymaganą dokładność jest ważne dla następnej generacji dużych przeglądów nieba. „

Aby skonstruować mapy dystrybucji ciemnej materii zespoły z Berkeley Lab i Fermilab wykorzystały obrazy galaktyk zebrane w latach 2000 i 2009 r. przez przeglądy SDSS I i II, w których wykorzystano teleskop Sloana w Obserwatorium Apache Point Observatory w Nowym Meksyku. Galaktyki znajdują się w nieprzerwanym pasie nieba znanym jako SDSS Stripe 82, leżącym wzdłuż równika niebieskiego i obejmującym 275 stopni kwadratowych. Obrazy galaktyk zostały wykonane w trakcie wielu odrębnych obserwacji na przestrzeni wielu lat.

Oba zespoły nakładały jako kolejne warstwy zdjęcia danego obszaru wykonane w różnym czasie, w procesie sumowania obrazów (ang. coaddition), podobnym do stackowania zdjęć, w celu usunięcia błędów, spowodowanych przez czynniki atmosferyczne oraz wzmocnieniu bardzo słabych sygnałów pochodzących z odległych części Wszechświata. Użyto różnych technik modelowania i kontrolowania wariacji generowanych przez atmosferę i pomiaru sygnału soczewkowania. Przeprowadzono także wyczerpującą serię testów potwierdzających, że modele te działają.

Grawitacja powoduje, że materię ma tendencję do tworzenia gęstych skupisk, jednak ciemna energia, działając odpychająco, spowalnia ten proces. To dlatego dystrybucja skupisk na mapach ciemnej materii stanowi narzędzie pomiaru ilości ciemnej energii we Wszechświecie.

Porównując końcowe wyniki przed konferencją Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, oba zespołu zauważyły, że wykryły nieco mniej struktury w danych niż można było oczekiwać na podstawie innych badań, takich jak wyniki uzyskane przez sondy Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Jednak Huff podkreśla -” że choć wyniki się nieco różnią od wcześniejszych eksperymentów, to nie na tyle by konieczne było podnoszenie alarmu”.

Źródła:

Clearest Picture Yet of Dark Matter Points the Way to Better Understanding of Dark Energy

Two teams of physicists at the U.S. Department of Energy’s Fermilab and Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) have independently made the largest direct measurements of the invisible scaffolding of the universe, building maps of dark matter using new methods that, in turn, will remove key hurdles for understanding dark energy with ground-based telescopes.

The teams’ measurements look for tiny distortions in the images of distant galaxies, called “cosmic shear,” caused by the gravitational influence of massive, invisible dark matter structures in the foreground. Accurately mapping out these dark-matter structures and their evolution over time is likely to be the most sensitive of the few tools available to physicists in their ongoing effort to understand the mysterious space-stretching effects of dark energy.

Both teams depended upon extensive databases of cosmic images collected by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), which were compiled in large part with the help of Berkeley Lab and Fermilab.

“These results are very encouraging for future large sky surveys. The images produced lead to a picture that sees many more galaxies in the universe and sees those that are six time fainter, or further back in time, than is available from single images,” says Huan Lin, a Fermilab physicist and member of the SDSS and the Dark Energy Survey (DES) .

Melanie Simet, a member of the SDSS collaboration from the University of Chicago, will outline the new techniques for improving maps of cosmic shear and explain how these techniques can expand the reach of upcoming international sky survey experiments during a talk at 2 p.m. CST on Monday, January 9, at the American Astronomical Society (AAS) conference in Austin, Texas. In her talk she will demonstrate a unique way to analyze dark matter’s distortion of galaxies to get a better picture of the universe’s past.

Eric Huff, an SDSS member from Berkeley Lab and the University of California at Berkeley, will present a poster describing the full cosmic shear measurement, including the new constraints on dark energy, from 9 a.m. to 2 p.m. CST on Thursday, January 12, at the AAS conference.

Several large astronomical surveys, such as the Dark Energy Survey, the Large Synoptic Survey Telescope, and the HyperSuprimeCam survey, will try to measure cosmic shear in the coming years. Weak lensing distortions are so subtle, however, that the same atmospheric effects that cause stars to twinkle at night pose a formidable challenge for cosmic shear measurements. Until now, no ground-based cosmic-shear measurement has been able to completely and provably separate weak lensing effects from the atmospheric distortions.

“The community has been building towards cosmic shear measurements for a number of years now,” says Huff, an astronomer at Berkeley Lab, “but there’s also been some skepticism as to whether they can be done accurately enough to constrain dark energy. Showing that we can achieve the required accuracy with these pathfinding studies is important for the next generation of large surveys.”

To construct dark matter maps, the Berkeley Lab and Fermilab teams used images of galaxies collected between 2000 and 2009 by SDSS surveys I and II, using the Sloan Telescope at Apache Point Observatory in New Mexico. The galaxies lie within a continuous ribbon of sky known as SDSS Stripe 82, lying along the celestial equator and encompassing 275 square degrees. The galaxy images were captured in multiple passes over many years.

The two teams layered snapshots of a given area taken at different times, a process called coaddition, to remove errors caused by the atmospheric effects and to enhance very faint signals coming from distant parts of the universe. The teams used different techniques to model and control for the atmospheric variations and to measure the lensing signal, and have performed an exhaustive series of tests to prove that these models work.

Gravity tends to pull matter together into dense concentrations, but dark energy acts as a repulsive force that slows down the collapse. Thus the clumpiness of the dark matter maps provides a measurement of the amount of dark energy in the universe.

When they compared their final results before the AAS meeting, both teams found somewhat less structure than would have been expected from other measurements such as the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), but, says Berkeley Lab’s Huff, “the results are not yet different enough from previous experiments to ring any alarm bells.”

Meanwhile, says Fermilab’s Lin, “Our image-correction processes should prove a valuable tool for the next generation of weak-lensing surveys.”

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *