8 Minutės
Nauji matavimai, atliekami naudojant gravitacinį lęšiavimą, sustiprina augančią neatitikimų šiuo metu diskutuojamame visatos plėtimosi greityje. Matuojant šviesos, einančios keliais keliais aplink masyvias galaktikas, atvykimo laikus, astronomai ieško Hablio konstantos (H0) nepriklausomu metodu, kuris apeina tradicinius atstumo laiptelius — ir gauti rezultatai dar labiau išryškina skirtumą tarp ankstyvosios ir vėlesnės visatos įvertinimų.
Kvazarų šviesos laiko vėlavimai, kuriuos sukuria masyvios galaktikos ir jų gravitacija, suteikia naują priemonę visatos plėtimosi matavimui, o šios priemonės rezultatai dar gilina skirtumą tarp CMB (kosminio mikrofoninio foninio spinduliavimo) prognozių ir vietinių, šiuolaikinių matavimų. Didėjanti įtampa tarp ankstyvos ir vėlesnės visatos vertinimų gali būti ženklas, kad kosminės fizikos srityje tebėra neatkastų fundamentalių reiškinių.
Montasas iš aštuonių laiko vėlavimų turinčių gravitacinių lęšių sistemų. Kiekvienos nuotraukos centre matyti visa galaktika, o ryškios taškinės struktūros žieduose aplink ją yra už galaktikos esančių kvazarų gravitaciniai lęšiavimo vaizdai. Šios nuotraukos yra klaidingų spalvų (false-color) kompozitai, sudaryti iš skirtingų teleskopų ir instrumentų duomenų.
Naujas žvilgsnis į visatos plėtimąsi
Jau kelis dešimtmečius kosmologai matuoja visatos plėtimosi spartą — vadinamą Hablio konstanta (H0) — naudodami kelias nepriklausomas technikas. Artimi stebėjimai, paremti Cepėidės tipo žvaigždžių periodų ir Ia tipo supernovų atstumų skalėmis, linksta link reikšmės maždaug 73 kilometrų per sekundę vienam megaparseciui (km/s/Mpc). Tuo tarpu kosminio mikrofoninio foninio spinduliavimo (CMB) stebėjimai — likutinė spinduliuotė iš ankstyvosios visatos — rodo mažesnę vertę, arčiau 67 km/s/Mpc. Šis neatitikimas, vadinamas Hablio įtampa (Hubble tension), tapo vienu pagrindinių šiuolaikinės kosmologijos iššūkių.
Siekiant išvengti bendrų sisteminių paklaidų, kurios gali paveikti tradicinius atstumo laiptelių metodus, Tokijo Universiteto mokslininkų grupė kartu su tarptautiniais partneriais pritaikė laiko vėlavimų kosmografiją — gravitacinio lęšiavimo metodą, matuojantį šviesos atvykimo laiko skirtumus iš užpakalinių kvazarų — kad iš naujo įvertintų H0. Naujausias analizės etapas, apimantis aštuonias laiko vėlavimų sistemas, rodo šiuolaikinės visatos plėtimosi greitį, labiau sutampantį su aukštesniais vietiniais matavimais, ir mažiau suderinamą su ankstyvosios visatos vertinimais, gautais iš CMB.
Kaip laiko vėlavimų kosmografija matuoja H0
Gravitacinis lęšiavimas vyksta tada, kai priešais esančios galaktikos masė iškreipia erdvę ir sulenkia šviesą iš už jos esančio šviesaus ir tolimą šaltinio, pavyzdžiui kvazaro. Kai geometrija ir masės pasiskirstymas yra palankūs, stebėtojai mato kelis to paties tolimo objekto vaizdus. Kadangi kiekvienas vaizdas atitinka skirtingą šviesos kelią — o tuo pačiu ir skirtingą kelionės laiką — vidiniai šaltinio ryškumo svyravimai atsispindi kiekviename vaizde su matuojamais laiko vėlavimais (delay), kuriuos galima preciziškai įvertinti.
Laiko vėlavimų kosmografija susieja šiuos atvykimo laiko skirtumus su visatos absoliučiu masteliu: ilgesnis ar trumpesnis išmatuotas vėlavimas, kartu su tinkamai modeliuota lęšio geometrija ir masės profiliu, nurodo skirtingą bendrą plėtimosi spartą. Svarbiausias privalumas — šis metodas nepasikliauja tarpiniais atstumo indikatoriumi, tokiais kaip Cepėdės ar supernovos, todėl suteikia nepriklausomą H0 patikrinimą ir padeda atskirti sistemines paklaidas nuo tikrų kosminių signalų.
Tokijo Universiteto komanda, kuriai vadovauja projekto lektorius Kenneth Wong ir postdoktorantas Eric Paic, sujungė tiksliai išmatuotus laiko vėlavimus su aukštos raiškos vaizdais ir spektroskopija iš modernių observatorijų, įskaitant James Webb kosminio teleskopo (JWST) duomenis bei papildomus žemės stebėjimus. Modeliuodami lęšio masės pasiskirstymą ir įtraukdami poveikį nuo masės palei stebėjimo ašį (line-of-sight), jie galėjo išskaičiuoti H0 vertę, sutampančią su kitais vėlesnės visatos indikatoriais.
Kodėl šis rezultatas svarbus: įrodymai, kad skirtumas realesnis
Suderinamumo radimas tarp kelių vėlesnės visatos matavimų stiprina argumentą, jog Hablio įtampa nėra vien tik matavimo klaida. Tyrėjų teigimu: „Mūsų Hablio konstantos matavimas yra labiau suderintas su kitais dabartiniais, vietiniais stebėjimais ir mažiau suderintas su ankstyvosios visatos matavimais.“ Kadangi laiko vėlavimų kosmografija yra nepriklausoma tiek nuo įprastinių atstumo laiptelių, tiek nuo CMB analizės, ji padeda atsirinkti, ar įtampa kyla dėl nežinomų sisteminių klaidų, ar signalizuoja apie naują fiziką.
Jei įtampa išliks ir toliau, kai matavimai taps dar tikslesni, tai gali reikšti, jog reikia koreguoti standartinį kosmologinį modelį (Lambda šalta tamsioji materija — LCDM). Galimi paaiškinimai, aptarinėjami mokslinėje bendruomenėje, apima ankstyvosios tamsiosios energijos (early dark energy) scenarijus, nestandartines neutrinų savybes arba subtilius pasitraukimus nuo bendrosios reliatyvumo teorijos kosminiu mastu. Kiekvienas pasiūlytas sprendimas turi skirtingus stebimus požymius, todėl nepriklausomi tyrimo metodai — tokie kaip lęšiavimo laiko vėlavimai — yra būtini, kad būtų galima atskirti galimas alternatyvas.
Ribojimai ir kelias link didesnio tikslumo
Nors laiko vėlavimų kosmografija yra perspektyvus metodas, ji susiduria su iššūkiais. Vienas didžiausių neapibrėžtumo šaltinių yra lęšio galaktikos masės pasiskirstymo modeliavimas. Astronomai dažniausiai naudoja parametrizuotus masės profilius, kurie gerai atitinka turimus duomenis; tačiau jeigu tikrasis masės išsidėstymas reikšmingai skiriasi nuo prielaidų arba jei nepastebėti struktūriniai elementai palei žiūros liniją prideda papildomo lęšiavimo efekto, tai gali pakreipti gautą H0 reikšmę.
Šiame tyrime komanda analizavo aštuonias lęšiavimo sistemas ir pasiekė maždaug 4,5 % tikslumą H0. Norint galutinai išspręsti Hablio įtampą, jie nurodo, jog reikalingas tikslumas maždaug 1–2 % lygyje. Tokiam tikslui pasiekti prireiks didesnio tinkamo lęšių imties, gilesnių ir aukštesnės raiškos vaizdų, patobulintos spektroskopijos žvaigždžių dinamikoje, bei griežtesnio masės struktūrų palei stebėjimo ašį įvertinimo.
Esami ir būsimi apžvalgų projektai — įskaitant plataus lauko optinius skyrius ir tikslinei stebėjimų kampanijai skirtus kosminius teleskopus, tokius kaip JWST ir Roman Space Telescope — plečia laiko vėlavimų lęšių imtį, atrandant naujas sistemas ir tobulinant žinomų sistemų matavimus. Tarptautinis bendradarbiavimo modelis, kurį demonstruoja TDCOSMO (Time Delay COSMOgraphy collaboration), išliks svarbus, sujungiant išteklius, teleskopus ir modeliavimo ekspertizę iš skirtingų institucijų.
Susijusios technologijos ir stebėjimų pažanga
Progresas adaptuojamos optikos (adaptive optics), integral-field spektroskopijos ir aukšto kontrasto vaizdavimo srityse susiaurino ribas lęšio masės profilių ir šeimininkių galaktikų struktūros nustatymui. Skaičiavimo metodų pažanga — pavyzdžiui, lanksčios Bayesinės modeliavimo sistemos ir mašininio mokymosi įrankiai lęšių aptikimui bei masės rekonstrukcijai — pagreitina analizę ir leidžia griežčiau kiekybiškai vertinti neapibrėžtumus.
Tuo tarpu daugiaspektrinės (multiwavelength) stebėjimų kampanijos padeda atskirti žvaigždžių, tamsiosios materijos ir kitų baryoninių struktūrų indėlį lęšiavimo poveikyje. Patikrinant lęšių modelius su žvaigždžių kinematikos duomenimis bei populiacijų sintezės modeliais, astronomai gali mažinti degeneracijas, kurios šiuo metu riboja bendrą tikslumą. Be to, duomenų sąveika su pažangiomis statistinėmis priemonėmis ir surinktų imčių daugėjimas leidžia sistemingai keisti modelių prielaidas ir patikimai identifikuoti galimus šališkumus.
Ekspertų įžvalga
„Laiko vėlavimų kosmografija yra vienas iš švariausių nepriklausomų Hablio konstantos patikrinimų,“ teigia dr. Maya Patel, kosmologijos instituto astrofizikė, kuri nedalyvavo Tokijo Universiteto tyrime. „Jeigu ateities imtys ir patobulinti modeliai toliau rodys aukštesnį H0, turėsime rimtai svarstyti galimybę, kad mūsų kosmologinis modelis nepilnas. Tai būtų įdomi galimybė — tai reikštų, jog nauja fizika gali būti pasiekiama stebėjimuose.“
Imties didinimas ir tarptautinis bendradarbiavimas
Tyrimas pabrėžia paprastą tiesą modernioje kosmologijoje: pamatinių nesutarimų sprendimui reikia tiek didelio tikslumo, tiek redundantiškų, nepriklausomų patikrų. Imties dydžio didinimas — nuo aštuonių tinkamų lęšių sistemų iki dešimčių, o galiausiai šimtų sistemų — sumažins statistines klaidas. Lygiai taip pat svarbus yra nepriklausomas rezultatų kartojimas, kai skirtingos komandos, taikančios skirtingus modeliavimo pasirinkimus ir duomenų rinkinius, atskleidžia galimus paslėptus sisteminius efektus.
Wong ir Paic pabrėžia, kad jų darbas orientuotas į metodologijos tobulinimą; aparatūros, stebėjimo strategijų ir bendruomenės modeliavimo standartų tobulinimas bus būtinas, kad neapibrėžtumai būtų sumažinti iki 1–2 % lygio. Kai lęšių atradimų tempas išaugs artimiausiais metais, laiko vėlavimų kosmografija taps kertiniu instrumentu testuojant, ar Hablio įtampa atveria duris naujai fizikiai, ar ją galima paaiškinti esamo kosmologinio modelio ribose.
Išvada
Gravitacinio lęšiavimo laiko vėlavimai brandinami kaip galinga ir nepriklausoma visatos plėtimosi matavimo priemonė. Naujausi rezultatai sustiprina teiginį, kad Hablio įtampa nėra vien tik atsitiktinė matavimo klaida, o realus neatitikimas, kuris gali atskleisti fiziką už standartinio LCDM modelio ribų. Su pažangesniais instrumentais, didesnėmis lęšių imtimis bei gilesniu tarptautiniu bendradarbiavimu, kosmologai ruošiasi lemiamam etapui, galinčiam pakeisti mūsų supratimą apie kosminę istoriją ir H0 reikšmę.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą