Astrofysikhold viser vejen for en mere nøjagtig model af universet

Lys fra fjerne galakser afslører vigtig information om universets natur og giver videnskabsmænd mulighed for at udvikle højpræcise modeller af historien, evolution og struktur af kosmos.

Tyngdekraften forbundet med massive lommer af mørkt stof, der ligger mellem Jorden og disse galakser, imidlertid, spiller kaos med de galaktiske lyssignaler. Tyngdekraften forvrænger galaksernes lys - en proces kaldet gravitationslinser - og justerer også galakserne en smule fysisk, hvilket resulterer i yderligere gravitationslinselyssignaler, der forurener de sande data.

I en undersøgelse først offentliggjort 5. august i The Astrofysiske tidsskriftsbreve , Forskere fra University of Texas i Dallas demonstrerede den første brug af en metode kaldet selvkalibrering til at fjerne forurening fra gravitationslinsesignaler. Resultaterne skulle føre til mere nøjagtige kosmologiske modeller af universet, sagde Dr. Mustapha Ishak-Boushaki, professor i fysik på Skolen for Naturvidenskab og Matematik og den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

"Selvkalibreringsmetoden er noget andre foreslog for omkring 10 år siden; mange troede, at det kun var en teoretisk metode og gik væk fra det, " sagde Ishak-Boushaki. "Men jeg følte intuitivt løftet. Efter otte års ihærdig undersøgelse, modning af selve metoden, og derefter de sidste to år at anvende det på dataene, det bar frugt med vigtige konsekvenser for kosmologiske studier."

En linse på universet

Gravitationslinser er en af ​​de mest lovende metoder i kosmologi til at give information om de parametre, der ligger til grund for den nuværende model af universet.

"Det kan hjælpe os med at kortlægge fordelingen af ​​mørkt stof og opdage information om universets struktur. Men målingen af ​​sådanne kosmologiske parametre kan være slået ned med så meget som 30 %, hvis vi ikke udvinder forureningen i gravitationslinsesignalet. " sagde Ishak-Boushaki.

På grund af den måde, fjerne galakser dannes på og det miljø, de dannes i, de er lidt fysisk på linje med det mørke stof tæt på dem. Denne iboende justering genererer yderligere falske linsesignaler, eller en skævhed, som forurener dataene fra galakserne og dermed skævvrider målingen af ​​vigtige kosmologiske parametre, herunder dem, der beskriver mængden af ​​mørkt stof og mørk energi i universet, og hvor hurtigt galakser bevæger sig væk fra hinanden.

For at komplicere sagerne yderligere, der er to typer af iboende tilpasning, der kræver forskellige metoder til afbødning. I deres undersøgelse, forskerholdet brugte selvkalibreringsmetoden til at udtrække generende signaler fra en type justering kaldet intrinsic shape-gravitational shear, som er den mest kritiske komponent.

"Vores arbejde øger markant chancerne for succes med at måle egenskaberne ved mørk energi på en nøjagtig måde, som vil give os mulighed for at forstå, hvad der forårsager kosmisk acceleration, " Ishak-Boushaki sagde. "En anden virkning vil være at bestemme nøjagtigt, om Einsteins generelle relativitetsteori holder på meget store skalaer i universet. Det er meget vigtige spørgsmål."

Indvirkning på kosmologi

Flere store videnskabelige undersøgelser rettet mod bedre forståelse af universet er i værkerne, og de vil indsamle gravitationslinsedata. Disse omfatter Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST), Den Europæiske Rumorganisations Euclid-mission og NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope.

"Den store vinder her vil være disse kommende undersøgelser af gravitationslinser. Vi vil virkelig være i stand til at få det fulde potentiale fra dem til at forstå vores univers, " sagde Ishak-Boushaki, som er medlem og indkalder af LSST's Dark Energy Science Collaboration.

Selvkalibreringsmetoden til at fjerne kontaminerede signaler blev først foreslået af Dr. Pengjie Zhang, en professor i astronomi ved Shanghai Jiao Tong University og medforfatter til det aktuelle studie.

Ishak-Boushaki videreudviklede metoden og introducerede den til området for kosmologiske observationer, sammen med en af ​​hans tidligere elever, Michael Troxel MS'11, Ph.D.'14, nu assisterende professor i fysik ved Duke University. Siden 2012 er forskningen blevet støttet af to bevillinger til Ishak-Boushaki fra National Science Foundation (NSF).

"Ikke alle var sikre på, at selvkalibrering ville føre til et så vigtigt resultat. Nogle kolleger var opmuntrende; nogle var skeptiske, " sagde Ishak-Boushaki. "Jeg har lært, at det kan betale sig ikke at give op. Min intuition var, at hvis det blev gjort rigtigt, det ville virke, og jeg er taknemmelig over for NSF for at se løftet om dette arbejde."