|
Потенциал карт галактик для изучения новой физики
|
|
|
|
Галактики - это не острова в космосе. В то время как глобально Вселенная расширяется под действием таинственной "темной энергии", локально галактики группируются в результате гравитационных взаимодействий, образуя космическую паутину, удерживаемую вместе гравитацией темной материи. Для космологов галактики являются пробными частицами для изучения гравитации, темной материи и темной энергии.
|
|
|
|
Впервые исследователи и выпускники MPA использовали новый метод, который полностью использует всю информацию, содержащуюся в картах галактик, и применил его к моделируемым, но реалистичным наборам данных. Их исследование демонстрирует, что этот новый метод обеспечит гораздо более строгую проверку стандартной космологической модели и потенциально может пролить новый свет на гравитацию и темную вселенную.
|
|
|
|
Из крошечных колебаний в изначальной Вселенной возникла обширная космическая паутина: галактики и скопления галактик формируются на вершинах (сверх) плотных областей, соединенных космическими нитями с пустыми промежутками между ними. Сегодня в космической паутине расположены миллионы галактик. Исследования крупных галактик позволяют составить карту этих галактик, чтобы проследить лежащее в их основе пространственное распределение вещества и проследить их рост или эволюцию во времени.
|
|
|
|
|
|
|
Наблюдение и анализ миллионов галактик оказывается сложной задачей. Поэтому стандартный анализ сначала сводит трехмерное распределение галактик к измерениям пространственной корреляции между парами и тройками галактик, технически известным как двухточечные и трехточечные корреляционные функции (см. рис. 1).
|
|
|
|
Однако эти ограниченные статистические данные потенциально не позволяют получить много информации на картах галактик, особенно информации, закодированной в меньших пространственных масштабах. Кроме того, они не говорят нам, где на картах искать дальше, если в этих статистических данных обнаружится какой-то неожиданный результат. Сколько еще информации можно извлечь?
|
|
|
|
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters исследователями и выпускниками MPA под руководством доктора Мин Нгуена, предоставляет убедительные доказательства наличия важной информации, недоступной для двух- и трехточечных функций.
|
|
|
|
Для проведения исследования команда разработала и апробировала строгую вероятностную систему LEFTfield для моделирования кластеризации галактик. То, как система LEFTfield использует эффективную теорию крупномасштабных структур (EFTofLSS) для получения надежных и точных прогнозов наблюдаемого поля галактик с высокой эффективностью, стало темой другого исследования MPA.
|
|
|
|
Левое поле вперед – моделирует эволюцию первичных флуктуаций в крупномасштабную структуру и кластеризацию галактик, сохраняя всю информацию о трехмерном распределении галактик. Кроме того, модель прямого левого поля является дифференцируемой, позволяя делать выводы на уровне поля (FLI) как о параметрах космологической модели, так и о первичных флуктуациях, из которых возникла вся структура Вселенной.
|
|
|
|
В ходе исследования команда провела сравнительный анализ результатов FLI и стандартный вывод по формуле "два плюс три балла" ("2+3-pt"). Оба конвейера вывода используют одну и ту же модель прямого вывода по левому краю и используют наблюдаемые карты строго в одном масштабе, как показано на рисунке 2.
|
|
|
|
Анализируя одни и те же каталоги ореолов темной материи из одного и того же набора моделей N-тел, команда обнаружила, что FLI улучшает ограничения на амплитуду роста структуры в 3-5 раз, даже при консервативном сокращении масштаба в обоих анализах.
|
|
|
|
Это улучшение означает, что даже без агрессивного перехода к очень малым масштабам — где, как мы ожидаем, моделирование EFTofLSS или даже N-тел не даст результатов — из кластеризации галактик все еще можно извлечь гораздо больше информации, просто открыв еще одно измерение: избавившись от сжатия входных данных.
|
|
|
|
На рисунке 3 сравниваются ограничения на амплитуду роста структуры, полученные при анализе FLI и анализе "2+3-pt". Параметр сигма 8 количественно определяет типичную амплитуду структуры в исходном ("линейном") поле плотности в определенном масштабе.
|
|
|
|
По сути, ограничения на кластеризацию галактик на сигма 8 указывают на рост структуры от ранней Вселенной (где у нас есть точные измерения благодаря космическому микроволновому фону) до поздних времен. По этой причине этот параметр обычно модифицируется в нестандартных космологических моделях, например, если общая теория относительности неправильно описывает гравитацию или если темная материя не является холодной.
|
|
|
|
Улучшение ограничений по параметрам в 5 раз эффективно "увеличивает" объем съемки более чем на порядок, что является значительным улучшением, учитывая трудоемкий и дорогостоящий процесс составления карт распределения галактик на большом пространстве. Более того, FLI в принципе гарантирует оптимальное извлечение космологической информации: нет сжатия данных, следовательно, нет потери информации.
|
|
|
|
Хотя в этом исследовании при моделировании использовались ореолы темной материи, выводы также справедливы для значительно более реалистичных моделируемых галактик, которые были предметом параллельного исследования, проведенного коллаборацией Beyond-2pt, в которую входят два исследователя из команды MPA. Подход FLI, основанный на рамках LEFTfield, снова дает объективные и улучшенные ограничения на рост о структуре.
|
|
|
|
Помимо улучшенных ограничений по параметрам, FLI также предлагает множество способов выяснить, откуда могут взяться доказательства физики, выходящей за рамки стандартной космологической модели, если такие доказательства появятся.
|
|
|
|
Поскольку у нас есть образцы вселенных, которые совместимы с данными, мы можем искать те области, которые наиболее сильно отклоняются от стандартной модели, и исследовать, что в них необычного. Мы также можем использовать независимые наборы данных, например, сопоставляя предполагаемую плотность вещества с картами гравитационного линзирования, которые представляют собой совершенно другой метод исследования структуры.
|
|
|
|
Теперь команда планирует применить новый подход FLI и систему LEFTfield к реальным данным, полученным в ходе исследований галактик. Чтобы связать FLI с наблюдениями, потребуется лучшее понимание того, как систематика наблюдений влияет на предсказания моделей на полевом уровне, и, следовательно, дополнительные исследования. Гибкая, но в то же время эффективная платформа для перспективного моделирования, такая как LEFTfield, станет ключом к таким исследованиям и к раскрытию всего потенциала FLI от galaxy maps.
|
|
|
|
Источник
|
