9 Minutės
Nauji tolimų radijo galaktikų matavimai rodo, kad mūsų Saulės sistema juda per kosmosą žymiai greičiau, nei prognozuoja standartinė kosmologija. Bielefeldo universiteto komanda iš naujo išanalizavo radijo šaltinių skaičiavimus ir aptiko stiprų kryptinį signalą, kuris kelia klausimų dėl Visatos didelio masto vienodumo prielaidos.
Atlikta radijo galaktikų analizė leidžia manyti, jog Saulės sistema juda per Visatą daug greičiau nei tikėtasi ir prieštarauja pagrindinėms standartinės kosmologijos prognozėms. Autorystės nuotrauka: Shutterstock
Kaip astronomai išmatuoja mūsų kosminį judėjimą?
Saulės sistemos judėjimo, palyginti su tolimomis Visatos struktūromis, matavimas remiasi labai smulkiomis dangaus asimetrijomis. Keliaudami erdve mes sukuriame subtile anisotropiją tolimų šaltinių sklaidoje: šiek tiek daugiau objektų matyti judėjimo kryptimi, nei priešingoje pusėje. Toks kryptinis signalas dažnai vadinamas dipolio anizotropija ir jis yra svarbus įrankis nustatant mūsų reaktyvųjį judesį (peculiar velocity) visuotiniu mastu.
Norėdami ištirti šį efektą, Lukas Böhme ir jo kolegos iš Bielefeldo panaudojo LOFAR (LOw Frequency ARray) duomenis kartu su dviem kitomis didelėmis radijo apžvalgomis. Radijo bangos yra ypač naudingos, nes jos praeina per dulkių dangas, kurios užstotų optinius šaltinius, ir atskleidžia galaktikų populiacijas, kurios optiniu būdu gali būti nepastebimos. Tokiu būdu radijo stebėjimai suteikia papildomą ir geografiškai skirtingą perspektyvą, palyginti su optiniais ar infraraudonųjų spindulių katalogais.
Matavimai radijo dažniuose taip pat leidžia sumažinti kai kuriuos optinių tyrimų šaltinius, pavyzdžiui, selekcijos efektus, susijusius su skvarba per dulkių debesis. Tačiau radijo apžvalgos susiduria su kitais iššūkiais: instrumentinė rezoliucija, kelių komponentų šaltiniai (kuriuos reikia teisingai susieti į vieną fizinį objektą), bei skirtingų apklausos jautrumų ir dangstymo plotų koregavimas. Tai reikalauja išplėstų statistinių metodų, detalių skyrių apie duomenų kokybę ir griežtų biasų vertinimų, kad būtų galima išskirti tikrą kosminį signalą nuo matavimo artefakto arba vietinių sisteminių efektų.
Ką konkretūs stebėjimai ir analizė apima?
Analizuojant radijo šaltinių skaičius, mokslininkai ieško dipolio anizotropijos amplitudei ir krypties. Tokia analizė apima šaltinių skaičiavimo metodikas, kurios kompensuoja sritis su skirtingu jautrumu, koreguoja už žemės sukimosi bangų ar instrumentinių sklaidos pokyčių ir vertina, kaip šaltinių pasiskirstymas priklauso nuo ryškumo ribos (flux limit) bei nuo galimų daugiakomponentinių šaltinių. Daugiakomponentiniai radijo šaltiniai — pavyzdžiui, aktyvios galaktikų branduolio (AGN) išsiskleidusios lobelinės struktūros — gali būti padalyti į kelis radijo komponentus, todėl neteisingai jas skaičiuojant gaunamas dirbtinis padidėjimas ar sumažėjimas bendrajame skaičiuje.
Bielefeldo tyrėjų grupė panaudojo LOFAR duomenis kartu su dviem kitomis didelėmis radijo apžvalgomis ir taikė patobulintą skaičiavimo metodiką, kuri eksplicitiškai atsižvelgia į tokias sudėtingas šaltinių morfologijas. Tai apima algoritmus, skirtus komponentų susiejimui ir objekto identifikavimui, statistinius modelius, kurie įvertina klaidų bars ir netiesinius selekcijos efektus, bei Monte Carlo tipo simuliacijas, skirtas patikimai nustatyti amplitudę ir jos paklaidas. Tokie metodai pagerina patikimumą ir leidžia geriau suprasti, ar pastebėtas signalas yra tikras kosminis reiškinys, ar atsirado dėl duomenų apdorojimo ir apribojimų.
Bielefeldo mokslininkas Lukas Böhme, pagrindinis tyrimo autorius, prie Lovell teleskopo Jodrell Bank radijo observatorijoje Anglijoje.
Ką komanda rado?
Pritaikius tobulintą skaičiavimo metodą, kuris teisingai traktuoja daugiakomponentinius radijo šaltinius, tyrėjai gavo tvirtesnius netikrumų (uncertainty) įvertinimus ir sumažino sisteminius biasus. Vietoje to, kad signalas sumažėtų ar išnyktų, kruopštus požiūris patvirtino nustebinantį dipolį: pastebėta anizotropija radijo galaktikų skaičiuose yra maždaug 3,7 karto stipresnė nei numato standartinis kosmologinis modelis (Lambda-CDM, remiantis nustatytomis CMB dipolio ir Hubble judėjimo reikšmėmis).
Statistiškai sujungti duomenų rinkiniai parodė nuokrypį, viršijantį penkis sigma — tradicinę ribą, kuri rodo, kad aptiktas rezultatas turi labai mažą tikimybę būti atsitiktine fluktuacija. Praktiniu požiūriu tai reiškia, kad danguje yra kryptinis radijo šaltinių perteklius, kurį sunku paaiškinti esamomis prielaidomis apie kosminį homogeneitiškumą ir izotropiją. Akivaizdu, kad tiek amplitudė (3,7 karto), tiek statistinis ryškumas (daugiau nei 5σ) verčia atidžiau peržiūrėti galimus sisteminius efektus ir alternatyvias interpretacijas.
Vertinant šį rezultatą, reikia atkreipti dėmesį į kelis svarbius aspektus: 1) ar dipolio kryptis sutampa su CMB dipoliu ir kitais ankstesniais radijo ar infraraudonųjų spindulių katalogų rezultatais; 2) ar signalo amplitudė priklauso nuo ryškumo arba raudono poslinkio (redshift) ribos, kas galėtų rodyti evoliucinį arba selekcinį efektą; 3) ar instrumentinių sisteminių paklaidų modeliavimas (pvz., nelygus dangstymas, varijuojantis jautrumas, skirtingų apklausų koregavimas) gali bent iš dalies paaiškinti stebimą skirtumą. Atlikus tokius kryžminius patikrinimus, rezultatas įgauna didesnį patikimumą arba, priešingai, gali būti identifikuotos priežastys, kurios sumažintų reikšmę.
Kodėl tai svarbu kosmologijai?
Standartinis kosmologinis modelis remiasi prielaida, kad didžiausiais masteliais Visata yra statistiškai vienoda (homogeniška) ir neturi išskirtinių krypčių (izotropiška). Ši kosmologinė prielaida yra kertinis akmuo daugumos hipotezių apie didelių mastelių struktūros susiformavimą, statistinius galaktikų pasiskirstymo modelius ir interpretacijas, remiantis kosminės mikrobanginės fono (CMB) duomenimis, pvz., iš Planck misijos.
Jei mūsų matuojamas judėjimas, nustatytas pagal tolimas radijo galaktikas, tikrai yra maždaug tris kartus didesnis nei prognozuota, tai gali reikšti dvi plačias galimybes: arba Saulės sistema (ar platesnis vietinis regionas) juda nenormaliai dideliu greičiu, arba tolimų radijo šaltinių pasiskirstymas nėra toks vienodas, kaip manyta iki šiol. Abi galimybės turi rimtų pasekmių. Pirmuoju atveju reikėtų paaiškinti kokia jėga ar masės pasiskirstymas galėtų sukelti tokį didelį lokalaus judėjimo komponentą; antruoju — tektų peržiūrėti prielaidas apie didelių mastelių homogeniškumą ir galbūt atsižvelgti į iki šiol neįvertintą klasterizaciją arba įtaką iš tolimų superstruktūrų.
Profesorius Dominik J. Schwarz, bendraautorius ir kosmologas iš Bielefeldo universiteto, pažymi, kad rezultatas verčia iš naujo apsvarstyti pagrindines prielaidas: 'Jeigu Saulės sistema iš tikrųjų juda tokiu greičiu, mums teks kvestionuoti pamatines prielaidas apie Visatos didelio masto struktūrą,' - sako jis. - 'Alternatyviai, radijo galaktikų pasiskirstymas gali būti mažiau uniformus nei manyta anksčiau.' Ši pastaba pabrėžia, kad arba stebimas reiškinys yra fiziškai reikšmingas, arba yra netikėtas duomenų interpretacijos arba selekcijos efektas, reikalaujantis atidus sistemų ir kros-analizės darbą.
Anksčiau pastebėtos anomalinės tendencijos taip pat pasirodė kitose kataloguose. Pavyzdžiui, infraraudonųjų spindulių quasarų (kvazarų) tyrimai parodė panašias kryptines neatitikimus, kas leidžia manyti, kad efektas nėra susijęs tik su vienu instrumentu ar dažnio juosta. Tokie kryžminiai patikrinimai sustiprina teiginį, kad dipolis gali būti tikras kosmologinis bruožas, o ne vien instrumentinis artefaktas.
Metodai ir techniniai patobulinimai
Tyrimas sujungė LOFAR giliai žemo dažnio žemėlapius su dviem papildomomis radijo apžvalgomis, taip išplečiant dangaus aprėptį ir didinant statistinę galią. Svarbi metodologinė naujovė buvo eksplicitas šaltinių, susidedančių iš kelių radijo komponentų, tvarkymas: kiekvienas kompleksinis šaltinis buvo identifikuotas ir susietas taip, kad nebūtų dvigubai skaičiuojamas arba neteisingai padalinamas. Teisingas dėmesys šiai problemai sumažina brutalią netikslumo iliuziją ir suteikia aiškesnį vaizdą apie tikrą šaltinių erdvinį pasiskirstymą.
Tyrėjai taip pat kiekybiškai įvertino signalą tiek greičio (velocity) ekvivalente, tiek statistinėje reikšmėje. Pavyzdžiui, dipolio amplitudės interpretavimas kaip kinematinio judėjimo suteikia ekvivalentinį mūsų reaktyviosios greitvelės įvertinimą, o statistinis penkių sigma perteklius reiškia, kad prielaida apie atsitiktinį triukšmą yra itin mažai tikėtina. Tai skatina bendruomenę kruopščiai svarstyti galimus sisteminius efektus: apžvalgų atrankos biasus (survey selection bias), instrumentų charakteristikas, duomenų apdorojimo tikslumą, šaltinių identifikacijos algoritmus ir astrophizines priežastis, galinčias sukelti nehomogenišką radijo dangų.
Be to, mokslininkai atliko modelinius testus ir simuliacijas, įskaitant atsitiktinių skaičiavimų (bootstrap), Monte Carlo realizacijas ir signalų injekcijos bandymus, kad patikrintų, ar įvairūs biasai gali generuoti panašius efektus. Šie etapai yra būtini norint įvertinti, ar pastebėtas signalas yra tvarus, stabilus prie skirtingų metodikų ir neuragams, ir ar jis išlieka po įvairių korekcijų bei ribojimų taikymo.
Pasekmės ir tolesni žingsniai atradimams
Jei rezultatas bus patvirtintas nepriklausomais tyrimais, tai gali paskatinti peržiūrėti didelių mastelių struktūros formavimosi modelius arba atskleisti iki tol neatpažintą radijo-ryškių galaktikų klasterizaciją. Toks atradimas galėtų paveikti mūsų supratimą apie materijos pasiskirstymą Visatoje, spektrinę priklausomybę ir galimai atskirtų fizikinių procesų įtaką įvairioms bangų juostoms.
Ateities apžvalgos su platesne dangaus aprėptimi ir nepriklausomais radijo teleskopais bus lemiamos. Tarp svarbių instrumentų ir projektų, kurie gali atlikti kryžminius patikrinimus arba patvirtinti rezultatą, yra ateities LOFAR tolesni stebėjimai, taip pat kiti didelės raiškos ir jautrumo radijo observatorijos. Svarbūs uždaviniai apima kryžminius patikrinimus su mikrobanginiu fonu (CMB) dipolio matavimais, infraraudonųjų katalogų (pavyzdžiui, WISE tipo katalogų) palyginimą ir optinių raudono poslinkių (redshift) duomenų integravimą.
Techninis žingsnis — patobulinti instrumentinių sisteminių klaidų modeliavimą, dar tikslesnė daugiakomponentinių šaltinių identifikacija ir nepriklausoma duomenų analizė skirtingų tyrimų grupių. Tokie veiksmai padės nustatyti, ar skirtumas kyla iš mūsų judėjimo (kinematinis dipolis) ar iš pačios šaltinių erdvinės pasiskirstymo savybių (intrinsinis dipolis). Jei paaiškės, jog tai yra antrasis atvejis, reikės išplėsti teorinius modelius, galbūt pradėti svarstyti alternatyvias hipotezes apie materijos klasterizaciją ir tolimų superstruktūrų poveikį.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Martínez, astrofizikė, nedalyvavusi tyrime, komentuoja: 'Šis rezultatas provokuoja, nes panašus keistas signalas pasikartoja keliuose bangų ilgiuose. Arba mes praleidžiame kokį nors subtilų stebėjimų nuokrypį, kuris paveikia daugelį apžvalgų, arba Visata mums praneša ką nors naujo apie materijos pasiskirstymą labai dideliuose masteliuose. Bet kuriuo atveju tai yra įdomus iššūkis stebimųjų kosmologijai.' Dr. Martínez pažymi, kad būtini nepriklausomi patikrinimai ir papildomi bandymai, skirti instrumentų sistematikos testavimui ir šaltinių identifikacijos tobulinimui.
Tolimesni darbai apims instrumentų sistematikos testus, griežtesnę šaltinių identifikaciją ir nepriklausomų duomenų rinkinių panaudojimą. Atraskta tendencija pabrėžia, kaip geresnės radijo apžvalgos, patobulinta meta-analizė ir atidesnė statistika gali atverti naujus langus į fundamentinius kosmologinius klausimus. Ne tik vertinant mūsų vietinį judėjimą, bet ir peržiūrint prielaidas apie Visatos homogeniškumą, tokie rezultatai prisideda prie platesnio ir dažnai provokuojančio mokslo judėjimo — tikslumo kosmologijos link.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą