8 Minutės
Nauja analizė tolimų radijo galaktikų duomenimis rodo, kad mūsų Saulės sistema gali judėti erdve kur kas didesniu greičiu, nei numato dabartiniai kosmologiniai modeliai. Šis netikėtas rezultatas verčia astrofizikus iš naujo peržiūrėti pagrindinius prielaidos apie Visatos didelio masto struktūrą ir metodus, kuriais matuojame kosminį judėjimą.
How a radio census revealed a surprising cosmic speed
Įprastai Saulės sistemos judėjimą vertiname kombinuodami vietinius matavimus — pavyzdžiui, Saulės judėjimą aplink Paukščių Taką — su kosminio mikrofoninio fono (cosmic microwave background, CMB) stebėjimais ir atskirų tolimų objektų poslinkiais. Tačiau neseniai atliktas tyrimas, kurį vadovavo Lukas Böhme iš Bielefeld universiteto, pasirinko kitą požiūrį: išmatuoti radijo galaktikų pasiskirstymą danguje ir taip užfiksuoti subtilią anizotropiją, vadinamą kosminiu radijo dipoliu.
Radijo galaktikos spinduliuoja stiprias, ilgojo bangos ilgio radijo bangas, kurios prasiskverbia per dulkių ir dujų sluoksnius ir atskleidžia struktūras, nematomas optiniuose apžvalgose. Naudodami gilius, plataus ploto radijo duomenis iš trijų radioteleskopų programų — įskaitant Low-Frequency Array (LOFAR) apžvalgą, kuri šiuo metu yra viena giliausių žemų dažnių žemėlapių — Böhme ir kolegos surinko vieną jautriausių iki šiol sudarytų tokių objektų sąrašų ir atliko detalų radijo galaktikų cenzą.
Idėja koncepciniu lygmeniu paprasta, tačiau praktiškai itin jautri. Jei Žemė ir Saulės sistema juda santykyje su statistiškai izotropine fone esančių tolimų radijo šaltinių sklaida, kryptimi, kur link vyksta judėjimas, bus nežymus šaltinių perteklius, o priešinga kryptimi — trūkumas. Šis nedidelis poslinkis yra vadinamasis kosminis radijo dipolis. Jį tiksliai išmatuoti reiškia kruopščiai vertinti radijo galaktikų morfologiją, apžvalgų pilnumą (survey completeness) ir statistinius šališkumus.
Tyrėjų komanda praneša apie dipolio amplitudę, kuri yra 3,7 karto didesnė už standartinio kosmologinio modelio prognozes, o rezultatas yra statistiškai reikšmingas — viršijantis tradicinį 5σ (penkių sigma) slenkstį, kurį statistikai laiko pakankamu anomalijai patvirtinti, o ne atsitiktiniam triukšmui.
Methodology: combining telescopes and new statistics
Norėdami pasiekti šį išvadą, mokslininkai sujungė katalogus iš trijų radijo apžvalgų ir sukūrė naują statistinį metodą, skirtą tinkamai apdoroti sudėtingas, daugcomponentines radijo galaktikų išvaizdas. Daug radijo galaktikų turi išsiplėtusias lobes ir kelis aktyvius hotspot'us, kuriuos paprasti aptikimo algoritmai gali užskaityti kaip atskirus šaltinius. Įvertinus šiuos komponentus ir pritaikius komponentų atitikimo metodikas, dipolio matavimas tapo griežtesnis ir patikimesnis.
LOFAR duomenų rinkinys — vertingas dėl savo jautrumo žemo dažnio spinduliavimui ir plačių dangaus plotų padengimo — atliko centrinį vaidmenį šioje analizėje. Kryžminės nuorodos tarp LOFAR ir kitų radijo žemėlapių bei griežtų komponentų sueiliavimo (component-matching) technikų taikymas leido sumažinti sistemines klaidas, kurios iki šiol trukdė ankstesnėms bandytiems išmatuoti kosminį radijo dipolį.
Metodologiniu požiūriu tyrėjai skyrė ypatingą dėmesį keliems pagrindiniams elementams: šaltinių atrankai, flux riboms ir žemėlapių uždengtumui, instrumentiniam jautrumui, bei skirtingų apžvalgų kampiniam ir spektriniam suderinamumui. Be techninių žingsnių, laboratoriniams patikrinimams buvo atlikta Monte Karlo simuliacijų serija, kad būtų įvertintas atsitiktinių išlygų poveikis dipolio amplitudei.
Galiausiai rezultatas — dipolio kryptis ir amplitudė — buvo reikšmingai nesuderinami su lūkesčiais, gautais iš CMB poslinkio ir vietinių dinamikos matavimų. Atvirai tariant, Saulės sistema, pagal šiuos radijo šaltinių pasiskirstymo duomenis, juda per Visatą daugiau nei tris kartus greičiau, nei numato standartinė kosmologija.
Saulė (apačioje centre) sukais aplink Paukščių Taką, o pats Paukščių Takas juda per Visatą.
Why this matters: implications for the cosmological principle
Šis radinys liečia fundamentinę kosmologijos sąvoką — kosmologinį principą. Pagal šį principą, pakankamai dideliuose mastuose Visata yra homogeninė ir izotropinė — iš esmės vienoda kiekviena kryptimi ir kiekvienoje vietoje. Jei radijo galaktikų pasiskirstymas yra tikrai vienodas dideliame mastelyje, gautasis dipolis turėtų sutapti su judėjimo kryptimi, gaunama iš kosminio mikrofoninio fono ir vietinių dinamikos rodiklių.
Tačiau pastebėtas neatitikimas atveria dvi plačias interpretacijos galimybes. Dramatiškesnė galimybė yra ta, kad mūsų kosmologiniai modeliai praleidžia reikšmingas detales apie Visatos didelio masto struktūrą, todėl prielaida apie didelio masto izotropiją gali reikalauti korekcijų arba platesnės peržiūros. Konservatyvesnė interpretacija sako, kad radijo galaktikos pačios gali būti paskirstytos mažiau tolygiai nei manyta — dėl klasterizacijos efektų, apžvalgų atrankos šališkumo arba nepastebėtų sisteminių klaidų viename ar keliuose radijo kataloguose.
„Mūsų analizė rodo, kad Saulės sistema juda daugiau nei tris kartus greičiau negu prognozuoja dabartiniai modeliai,“ teigė pagrindinis autorius Lukas Böhme. „Šis rezultatas aiškiai prieštarauja standartinės kosmologijos lūkesčiams ir verčia mus iš naujo peržiūrėti ankstesnes prielaidas.“
Bendratautinis bendraautoris Dominik J. Schwarz pridūrė: „Alternatyviai, radijo galaktikų pasiskirstymas pats savaime gali būti mažiau vienodas, nei mes manome. Bet kuriuo atveju, dabartiniai modeliai dabar yra išbandomi nauju būdu.“
Šiuose pareiškimuose atsispindi abipusė mokslinė atsakomybė: tiek galimybė aptikti naują fizikos sluoksnį, tiek būtinybė užtikrinti, kad stebimų duomenų apdorojimas yra nepriekaištingas. Tyrimo autoriai aiškiai nurodo, kad bet koks galutinis patvirtinimas reikalauja nepriklausomų patikrinimų.
Scientific context and next steps
Šis rezultatas paskatins nepriklausomus bandymus ir papildomus tyrimus. Papildomos radijo apžvalgos — įskaitant būsimas gilesnes žemėlapių kampanijas iš SKA (Square Kilometre Array) pathfinder projektų ir išplėstines LOFAR kampanijas — galės patikrinti, ar anomalija išlieka skirtinguose dažniuose, su skirtingomis apžvalgų strategijomis ir skirtingose dangaus vietose. Kryžminiai palyginimai su optiniais ir infraraudonųjų spindulių galaktikų katalogais gali padėti nustatyti, ar efektas yra būdingas tik radijo atrankai, ar tai platesnis kosminis reiškinys.
Jei anomalija bus patvirtinta nepriklausomais duomenimis ir skirtinguose dažniuose, jos kosmologinės pasekmės būtų reikšmingos: tai galėtų signalizuoti netikėtą anizotropiją labai dideliuose masteliuose arba atskleisti anksčiau nežinomas didelio masto masės srautus. Abiem atvejais tokia situacija paskatintų teorinius tyrimus, skirtus suderinti stebėjimus su standartiniu modeliu arba pasiūlyti realistiškus plėtinio scenarijus.
Praktiniai žingsniai toliau apima: didesnių ir jautresnių radijo imčių rinkimą, patobulintą dangaus modeliavimą (sky modeling), detalesnę instrumentinių sisteminių klaidų analizę ir plačius daugiabangius (multiwavelength) palyginimus. Tyrėjų prioritetai taip pat apima atvirą duomenų dalijimąsi, kad kitos grupės galėtų vykdyti nepriklausomas peranalizes.
Be to, reikalingi papildomi statistiniai testai: pavyzdžiui, atskiriant dipolio signalą į spektrinius komponentus, vertinant priklausomybę nuo flux ribų ir analizuojant regioninį klasterizacijos poveikį. Tokie veiksmai padės atskirti, ar matomas perteklius yra tikrai susijęs su Saulės sistemos judėjimu, ar su didesne, galbūt lokalizuota radijo šaltinių anomalija.
Alcyoneus, milžiniška radijo galaktika su lobinėmis struktūromis, siekiančiomis apie 16 mln. šviesmečių.
Expert Insight
„Šis matavimas yra svarbus postūmis visai bendruomenei,“ sako dr. Maya Chen, astrofizikė ir mokslo komunikatorė. „Arba mes surasime naują sisteminį efektą radijo kataloguose, arba atskleisime fiziką, kuri kvestionuoja mūsų suvokimą apie didelio masto vienodumą. Bet kuriuo atveju tai yra laimėjimas preciziškai nukreiptai kosmologijai — sužinome kažką naujo apie Visatą.“
Ateities darbai greičiausiai sujungs didesnes radijo imtis, patobulintą dangaus modeliavimą ir daugiabanginius palyginimus. Atsiradus naujiems duomenims, astronomai galės atsakyti, ar mes tikrai judame greičiau per erdvę — ir ar šis judėjimas verčia iš naujo apmąstyti kosminį vienodumą arba nurodo subtilius stebėjimo efektus.
Trumpai apibendrinant, ši radijo galaktikų analizė atveria svarbius klausimus apie pasitikėjimą standartiniais kosmologiniais parametrais ir matavimo metodais. Ji taip pat pabrėžia, kad moderni kosmologija remiasi skirtingų bangų ilgių, instrumentų ir statistinių metodų sinteze — ir kad bet koks reikšmingas pranešimas turi būti patvirtintas keliais nepriklausomais kanalais. Tolesnės kampanijos LOFAR, SKA pathfinder ir kitose radioteleskopų tinkluose kartu su optiniais ir infraraudonųjų spindulių stebėjimais bus lemiamos siekiant išsiaiškinti, ar kosminis radijo dipolis tėra instrumentinis ar iš tiesų atskleidžia naują Visatos dinamikos aspektą.
Šis tyrimas taip pat primena apie tyrimų svarbą: kai naujas, potencialiai kontraversiškas rezultatas atsiranda — ypač toks, kuris meta iššūkį fundamentiniams principams kaip kosmologinis principas — mokslininkai turi taikyti atvirą, griežtą ir kartotinį metodinį požiūrį, kad būtų atskirtas tikras pasaulio modelių keitimas nuo laikinų arba lokalių anomalijų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą