Paradoks dystrybucji ciemnej materii

Astrofizycy odkryli, że „skupiska” ciemnej materii we wszechświecie mają 0,76, co jest liczbą sprzeczną z wartością kosmicznego mikrofalowego tła wynoszącą 0,83, co wskazuje na możliwe błędy lub niekompletny model kosmologiczny. W badaniu wykorzystano dane ze strategicznego programu Subaru Hyper Suprime-Cam i dalej zbada się tę zamaskowaną rozbieżność.

Międzynarodowy zespół astrofizyków i kosmologów z różnych instytutów, w tym NAOJ i Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, przedstawił zestaw pięciu artykułów, które mierzą wartość „skupisk” ciemnej materii we wszechświecie, znanych kosmolodzy jako x₈. Zgłoszona wartość to 0,76, co jest zgodne z wartościami znalezionymi w innych badaniach soczewkowania grawitacyjnego, patrząc na stosunkowo niedawny wszechświat – ale nie jest zgodne z wartością 0,83 pochodzącą z kosmicznego mikrofalowego tła, które sięga czasów, gdy wszechświat był. Ma około 380 000 lat. Różnica między tymi dwiema wartościami jest niewielka, ale nie wydaje się być przypadkowa. Istnieje prawdopodobieństwo, że w jednym z tych dwóch pomiarów występuje nieznany dotąd błąd lub błąd lub że standardowy model kosmologiczny jest w interesujący sposób niekompletny.

Model Standardowy naszego Wszechświata jest zdefiniowany przez zaledwie kilka liczb: tempo rozszerzania się Wszechświata, które jest miarą gęstości ciemnej materii (S).₈), względny wkład składników wszechświata (materii, ciemnej materii i ciemnej energii), ogólną gęstość wszechświata oraz wielkość techniczną opisującą, w jaki sposób aglomeracja wszechświata w dużej skali odnosi się do aglomeracji w małych skalach. Kosmologowie chętnie testują ten model, ograniczając te liczby na różne sposoby, na przykład obserwując fluktuacje kosmicznego mikrofalowego tła, modelując historię ekspansji Wszechświata lub mierząc gromadzenie się Wszechświata w stosunkowo niedawnej przeszłości.

Rysunek 2: Przykład trójwymiarowego rozkładu ciemnej materii pochodzącego z HSC-SSP. Ta mapa została uzyskana na podstawie danych z pierwszego roku, ale w bieżącym badaniu zbadano obszar nieba trzy razy większy niż ten. Źródło: Uniwersytet Tokio/NAOJ

Zespół kierowany przez astronomów z Kavli IPMU, University of Tokyo,[{” attribute=””>Nagoya University, Princeton University, and the astronomical communities of Japan and Taiwan, spent the past year teasing out the secrets of the most elusive material, dark matter, using sophisticated computer simulations and data from the first three years of the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP). The observation program used one of the most powerful astronomical cameras in the world, Hyper Suprime-Cam (HSC) mounted on the Subaru Telescope. The HSC-SSP data that the research team used covers about 420 square degrees of the sky, about the equivalent of 2000 full moons.

Clumps of dark matter distort the light of distant galaxies through weak gravitational lensing, a phenomenon predicted by Einstein’s General Theory of Relativity. This distortion is a really small effect; the shape of a single galaxy is distorted by an imperceptible amount. But the team measured the distortion with quite high precision by combining the measurements for 25 million faint galaxies that are billions of light-years away. Then, the team measured the clumpiness of the Universe today (Figure 3).

Figure3: The measurement results of S8 parameter from HSC-SSP Year 3 data. The chart shows the results from four different methods, which used different parts of the HSC-SSP Year 3 data or combined the HSC-SSP Year 3 data with other data. For comparison, “Planck CMB” shows the measurement result for S8 from the cosmic microwave background data from the Planck satellite. “Other weak lensing results” shows the results from similar weak lensing measurements based on the Dark Energy Survey (DES) and Kilo-Degree Survey (KiDS) data. Credit: Kavli IPMU

The discrepancy between the S₈ values of HSC-SSP and the Planck satellite is very subtle. The team thinks that the measurement was done correctly and carefully. And the statistics show that there’s only a one in 20 probability that the difference is just due to chance, which is compelling but not completely definitive. The team will further pursue this compelling inconsistency using the full HSC-SSP data set and refined methods. The team might discover something new about the Universe, so please stay tuned.

For more on this research, see Measuring Dark Matter With Hyper Suprime-Cam Reveals Discrepancy.

References:

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Emulator Based Halo Model” by Hironao Miyatake, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Takahiro Nishimichi, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Surhud More, Yosuke Kobayashi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Wentao Luo, Arun Kannawadi, Bau-Ching Hsieh, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Tomomi Sunayama, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00704

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Measurements of Clustering of SDSS-BOSS Galaxies, Galaxy-Galaxy Lensing and Cosmic Shear” by Surhud More, Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Markus Michael Rau, Masato Shirasaki, Xiangchong Li, Atsushi J. Nishizawa, Ken Osato, Tianqing Zhang, Masahiro Takada, Takashi Hamana, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Yosuke Kobayashi, Takahiro Nishimichi, Masamune Oguri, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00703

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Minimal Bias Model” by Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Surhud More, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Masahiro Takada, Yosuke Kobayashi, Ryuichi Takahashi, Takahiro Nishimichi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00705

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra” by Roohi Dalal, Xiangchong Li, Andrina Nicola, Joe Zuntz, Michael A. Strauss, Sunao Sugiyama, Tianqing Zhang, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Hironao Miyatake, Arun Kannawadi, Masato Shirasaki, Takanori Taniguchi, Ryuichi Takahashi, Ken Osato, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Atsushi J. Nishizawa, Andrés A. Plazas Malagón, Tomomi Sunayama, David Alonso, Anže Slosar, Robert Armstrong, James Bosch, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00701

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Two-point Correlation Functions” by Xiangchong Li, Tianqing Zhang, Sunao Sugiyama, Roohi Dalal, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Michael A. Strauss, Hironao Miyatake, Masato Shirasaki, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Wentao Luo, Atsushi J. Nishizawa, Ryuichi Takahashi, Andrina Nicola, Ken Osato, Arun Kannawadi, Tomomi Sunayama, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka, Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00702

This research was supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (DGE-2039656); the National Astronomical Observatory of Japan; the Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe; the University of Tokyo; the High Energy Accelerator Research Organization (KEK); the Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics in Taiwan; Princeton University; the FIRST program from the Japanese Cabinet Office; the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT); the Japan Society for the Promotion of Science; the Japan Science and Technology Agency; the Toray Science Foundation; and the Vera C. Rubin Observatory.