Рисунок 1. Суммарная статистика, такая как двух- и трехточечная корреляционные функции, сжимает поле галактик в пространственные корреляции между парами и тройками галактик (левая панель). Статистика на уровне поля обходит этап сжатия, чтобы получить доступ ко всей информации в поле галактики. Фото предоставлено: МПА
Галактики не являются островами в космосе. По мере глобального расширения Вселенной, движимого таинственной «темной энергией», галактики локально собираются в результате гравитационных взаимодействий, образуя космическую паутину, скрепленную гравитацией темной материи. Для космологов галактики — это тестовые частицы для изучения гравитации, темной материи и темной энергии.
Теперь исследователи и выпускники MPA впервые использовали новый метод, который полностью использует всю информацию на картах галактик, и применили ее к смоделированным, но реалистичным наборам данных. Их исследование показывает, что этот новый метод обеспечивает гораздо более строгую проверку стандартной космологической модели и потенциально может пролить новый свет на гравитацию и темную Вселенную.
Огромная космическая паутина возникла в результате крошечных флуктуаций первичной Вселенной: галактики и скопления галактик формируются на вершинах (сверх)плотных областей, соединенных космическими нитями с пустыми полостями между ними. Сегодня в космической паутине существуют миллионы галактик. Поиски больших галактик картируют эти галактики, чтобы проследить основное пространственное распределение материи и проследить их рост или эволюцию с течением времени.
Наблюдение и анализ миллионов галактик оказывается непростой задачей. Поэтому стандартный анализ сначала сжимает трехмерное распределение галактик в измерения пространственной корреляции между парами и тройками галактик, технически известные как двух- и трехточечные корреляционные функции (см. Рис. 1).
Однако эта ограниченная статистика потенциально упускает много информации на картах галактик, особенно информации, закодированной в меньших пространственных масштабах. Более того, они не говорят нам, где на картах следует искать дальше, если в этой статистике появится неожиданный результат. Сколько еще информации можно извлечь?
Исследование, недавно опубликованное в «Physical Review Letters» исследователями и выпускниками MPA под руководством доктора. Минь Нгуен предоставляет убедительные доказательства важной информации, которая выходит за рамки двух- и трехточечных характеристик.
Для исследования команда разработала и утвердила строгую вероятностную систему LEFTfield для моделирования кластеризации галактик. То, как структура LEFTfield использует Теорию эффективного поля крупномасштабной структуры (EFTofLSS) для получения надежных и точных прогнозов наблюдаемого поля галактик с высокой эффективностью, стало предметом еще одного исследования MPA.
LEFTfield вперед — моделирует эволюцию первичных флуктуаций в крупномасштабные структуры и скопления галактик, сохраняя при этом всю информацию о трехмерном распределении галактик. Более того, прямая модель LEFTfield является дифференцируемой, что позволяет делать выводы на основе поля (FLI) как о параметрах космологической модели, так и об исходных флуктуациях, из которых возникли все структуры во Вселенной.
В ходе исследования команда провела прямое сравнение FLI и стандартного двухточечного и трехточечного вывода («2+3 балла»). Оба конвейера вывода используют одну и ту же прямую модель LEFTfield и наблюдаемые карты в одних и тех же масштабах, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Сравнение FLI и 2+3-точечного вывода использует одну и ту же прямую модель LEFTfield для обеих схем вывода. Основное отличие состоит в том, что FLI анализирует все поле галактики, тогда как вывод по 2 + 3 точкам анализирует только сводные данные по 2 + 3 точкам (одного и того же) поля галактик. Фото предоставлено: МПА
Команда проанализировала одни и те же каталоги гало темной материи из одного и того же набора моделей N-тел и обнаружила, что FLI улучшает ограничения на амплитуду роста структуры в 3-5 раз, даже при консервативном сокращении масштаба в обоих анализах.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Улучшение означает, что даже без агрессивного перехода к очень маленьким масштабам – где мы ожидаем, что EFTofLSS или даже моделирование N-тел потерпят неудачу – гораздо больше информации все равно можно извлечь из скоплений галактик, просто открыв другое измерение: сжатие, избавление от входные данные.
На рисунке 3 сравниваются ограничения амплитуды структурного роста, полученные при анализе FLI и «2+3-pt». Параметр σ8 количественно определяет типичную амплитуду структуры в исходном («линейном») поле плотности в конкретном масштабе.
Рис. 3: Ограничения на амплитуду роста структуры σ8 улучшаются почти в 5 раз при анализе всего поля галактики по сравнению только с 2- и 3-точечными корреляционными функциями. Фото предоставлено: МПА
По сути, ограничения скопления галактик на σ8 исследуют рост структуры от ранней Вселенной (где у нас есть точные измерения благодаря космическому микроволновому фону) до более поздних времен. По этой причине этот параметр обычно изменяется в нестандартных космологических моделях, например, когда гравитация неправильно описывается общей теорией относительности или когда темная материя не является холодной.
Улучшение ограничений параметров в 5 раз эффективно «увеличивает» объем исследования более чем на порядок, что является огромным улучшением, учитывая трудоемкий и дорогостоящий процесс картирования распределения галактик в большом объеме. Кроме того, FLI принципиально гарантирует оптимальное извлечение космологической информации: нет сжатия данных и, следовательно, нет потери информации.
Хотя в этом исследовании при моделировании использовались гало темной материи, выводы также применимы и к гораздо более реалистичным моделируемым галактикам, которые стали предметом параллельного исследования коллаборации Beyond-2pt с участием двух исследователей из команды MPA, которое основано на подходе FLI. в рамках LEFTfield еще раз обеспечивает объективные и улучшенные ограничения на рост структуры.
Помимо улучшенных ограничений параметров, FLI также предлагает многочисленные возможности для изучения того, откуда могут появиться доказательства физики, выходящие за рамки Стандартной модели космологии, если такие доказательства появятся.
Поскольку у нас есть образцы вселенных, совместимых с данными, мы можем искать регионы, которые больше всего отклоняются от Стандартной модели, и исследовать, что в них необычного. Мы также можем использовать независимые наборы данных, например, сопоставляя предполагаемую плотность материи с картами гравитационного линзирования, которые представляют собой совершенно другое исследование структуры.
Теперь команда сосредоточилась на применении нового подхода FLI и структуры LEFTfield к реальным данным исследования галактик. Чтобы связать FLI с наблюдениями, необходимо лучшее понимание и, следовательно, больше исследований того, как систематика наблюдений влияет на прогнозы модели на уровне поля. Гибкая, но эффективная система прямого моделирования, такая как LEFTfield, будет иметь ключевое значение для таких исследований и для раскрытия всего потенциала FLI на картах галактик.
Информация от: Институтом астрофизики Макса Планка.
