Точно както чаша за вино изкривява изображение, показващо температурни колебания в космическия микровълнов фон в тази фотоилюстрация, големи обекти като галактически клъстери и галактики могат по подобен начин да изкривят тази светлина, за да произведат лещи. (Кредит: Еманюел Шаан и Симоне Фераро / Бъркли Лаборатория)

Картиране на тъмната материя и тъмната енергия с космически филтър

Космическият микровълнов фон - светлина, останала веднага след големия взрив - може да се използва за очертаване на структурата на Вселената, като по този начин разкрие тайните на тъмната материя и тъмната енергия.

Образецът на най-ранната известна светлина в нашата Вселена - космическият микровълнов фон (CMB) - съдържа много важни улики за развитието и разпространението на мащабни структури като галактики и галактически клъстери.

Изкривяванията в CMB - излъчени 380 000 години след големия взрив - причинени от явление, известно като обектив, могат да разкрият фината структура на Вселената. Това също означава, че потенциално може да ни каже нещата за мистериозната, невиждана "тъмна вселена" - тъмна енергия, която съставлява около 68% от Вселената и отчита нейното ускоряващо се разширяване, и тъмната материя - която представлява около 27% от вселена.

Вселената от дъното на басейн

Представете си Вселената като решетъчен шаблон, отпечатан на дъното на басейн. Гравитационните ефекти на материята и енергията се добавят почти като вода, пълнеща басейна. Гледаме дъното през водата - опъната и притисната от смущения в повърхността.

Гравитационните ефекти от големи обекти като галактики и галактически клъстери огъват CMB светлината по различни начини. Тези лещи ефекти могат да бъдат фини - слаби лещи - за далечни и малки галактики, а компютърните програми могат да ги идентифицират, защото нарушават редовното моделиране на CMB.

R.Lambourne (2012)

Съществуват известни проблеми с точността на измерванията на лещите, но по-специално с измерванията на CMB на базата на температурата и свързаните с тях ефекти на лещите.

Докато лещирането може да бъде мощен инструмент за изучаване на невидимата вселена и дори потенциално може да ни помогне да подредим свойствата на призрачни субатомни частици като неутрино, Вселената е присъщо разхвърляно място.

Завихрянето на газ и прах в други галактики, наред с други фактори, може да затъмни нашето виждане и да доведе до дефектни показания на обектива на CMB.

Набор от космически микровълнови фонови изображения без обективни ефекти (горен ред) и с преувеличени космически микровълнови фонови лещи (долния ред). (Уейн Ху и Такеми Окамото / Чикагския университет)

Въпреки че има някои инструменти за филтриране, които помагат на изследователите да ограничат или маскират някои от тези ефекти - тези известни препятствия продължават да са основен проблем в многото проучвания, които разчитат на измервания на базата на температурата.

Ефектите от тази намеса при CMB проучвания, базирани на температура, могат да доведат до погрешни измервания на лещите, казва Еманюел Шаан, докторантура и докторант Оуен Чембърлейн в отдела по физика в Националната лаборатория на Lawrence Berkeley в лабораторията за енергия (Berkeley Lab).

Той казва: „Можете да сбъркате и да не го знаете. Съществуващите методи не работят перфектно - те наистина са ограничаващи. "

За да се справи с този проблем, Schaan си партнира със Симоне Фераро, дивизионен сътрудник в отдела по физика на Беркли, за да разработи начин за подобряване на яснотата и точността на измерванията на лещите на CMB, като отделно отчита различни видове ефекти на лещите.

Schaan добавя: „Lensing може да увеличи или обезценява нещата. Освен това ги изкривява по определена ос, така че те да бъдат опънати в една посока. "

Изследователите сравняват това с гледането на повърхността на маса през стъблото на чаша за вино.

Това, което екипът откри, е, че определен подпис на обектива - срязване - който причинява това разтягане в една посока, изглежда до голяма степен имунизиран срещу ефектите на предния план „шум“, които иначе пречат на данните за CMB обективи.

Тези изображения показват различни видове емисии, които могат да пречат на измерванията на обектива на CMB, както са симулирани от Neelima Sehgal и сътрудници. Отляво надясно: Космическият инфрачервен фон, съставен от междугалактичен прах; радиоточкови източници или радио излъчване от други галактики; кинематичният ефект на Суняев-Зелдович, продукт на газ в други галактики; и топлинния ефект Суняев-Зелдович, който също се отнася до газ в други галактики. (Емануел Шаан и Симоне Фераро / Бъркли Лаборатория)

Ефектът на лещите, известен като увеличение, междувременно е предразположен към грешки, въведени от шума на преден план. Проучването им, публикувано в списанието Physical Review Letters, отбелязва „драматично намаление“ в тази граница на грешка, когато се фокусира единствено върху срязващите ефекти.

Източниците на лещите, които са големи обекти, които стоят между нас и CMB светлината, обикновено са галактически групи и струпвания, които имат грубо сферичен профил в температурните карти, отбелязва Фераро и последното проучване установи, че излъчването на различни форми на светлината от тези обекти на преден план изглежда само имитира увеличаващите ефекти при обектива, но не и срязващите ефекти.

Ферано казва: „Ние казахме:„ Да разчитаме само на срязването и ще сме имунизирани срещу ефектите на преден план “.

„Когато имате много от тези галактики, които са предимно сферични, и ги оценявате средно, те замърсяват само увеличаващата част на измерването. За срязване - всички грешки по принцип са изчезнали. "

Той продължава: „Намалява шума, което ни позволява да получаваме по-добри карти. И по-сигурни сме, че тези карти са правилни. Дори когато измерванията включват много далечни галактики като обекти на преден план. “

Ползи от редица експерименти

Проучването отбелязва, че новият метод би могъл да се възползва от редица експерименти за изследване на небето - включително експериментите POLARBEAR-2 и Simons Array, в които участват Berkeley Lab и UC Berkeley; проектът Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); и телескопът на Южния полюс - 3G камера (SPT-3G). Той би могъл също да помогне на обсерваторията на Симонс и предложеният от следващото поколение мултилокален експеримент за CMB, известен като CMB-S4 - учените в лабораторията на Беркли, участват в планирането и на двете усилия.

Методът може също така да подобри данните, получени от бъдещи галактически проучвания като проектът за енергиен спектроскопски инструмент, управляван от лабораторията в Беркли (DESE) - понастоящем се строи в близост до Тусон, Аризона и проекта за голям синоптичен изследователски телескоп (LSST), който се строи в Чили, чрез съвместни анализи на данни от тези проучвания на небето и данни за лещи CMB.

Все по-големи масиви от експерименти с астрофизика доведоха до по-голяма координация в сравняването на данни между експериментите, за да се получат по-смислени резултати. Както Ферано подчертава: „В наши дни синергиите между изследванията на CMB и галактиките са голяма работа.“

Водещият в света суперкомпютърен център за отворена наука дава възможност на изследователите да извършват симулации на квантови компютри (Berkeley)

В това проучване изследователите разчитаха на симулирани данни за CMB с пълно небе - използвайки ресурси в Националния научно-изчислителен център за изследвания на енергетиката на Berkeley Lab (NERSC), за да тестват метода си на всеки от четирите различни източници на преден план на шум. Това включва инфрачервени, радиочестотни, термични и електронни взаимодействия, които могат да замърсят измерванията на CMB обективи.

Проучването отбелязва, че космическият инфрачервен фонов шум, плюс шумът от взаимодействието на CMB фотони с високоенергийни електрони са били най-проблемните източници за справяне с помощта на стандартни инструменти за филтриране при измервания на CMB. Някои съществуващи и бъдещи експерименти с CMB се стремят да намалят тези ефекти чрез извършване на прецизни измервания на поляризацията или ориентацията на светлинния подпис на CMB, а не на неговата температура.

Schaan добавя: "Не бихме могли да направим този проект без изчислителен клъстер като NERSC."

NERSC също се оказа полезен в обслужването на други симулации във вселената, за да се подготви за предстоящи експерименти като DESI.

Методът, разработен от Шаан и Фераро, вече се прилага при анализа на данните на текущите експерименти. Едно от възможните приложения е да се разработят по-подробни визуализации на нишките на тъмната материя и възлите, които изглежда свързват материята във Вселената чрез сложна и променяща се космическа мрежа.

Изследователите отчитат положителен прием към нововъведения им метод.

Ферано заключава: „Това беше изключителен проблем, за който много хора се бяха замислили.

„Щастливи сме да намерим елегантни решения.“

Оригинално изследване: https://journals.aps.org/prl/abrief/10.1103/PhysRevLett.122.181301