Парадокс розподілу темної матерії

Астрофізики виявили, що «згустки» темної матерії у Всесвіті становлять 0,76, число, яке суперечить значенню космічного мікрохвильового фону 0,83, що вказує на можливі помилки або неповну космологічну модель. У дослідженні використовувалися дані стратегічної програми Subaru Hyper Suprime-Cam, і ця прихована невідповідність буде додатково досліджена.

Міжнародна команда астрофізиків і космологів з різних інститутів, включаючи NAOJ та Інститут фізики та математики Всесвіту Кавлі, представила серію з п’яти робіт, які вимірюють значення «згустків» темної матерії у Всесвіті, відомих космологи як х₈. Повідомлене значення становить 0,76, що відповідає значенням, отриманим іншими дослідженнями гравітаційного лінзування, які розглядали відносно недавній Всесвіт, але не узгоджується зі значенням 0,83, отриманим на основі космічного мікрохвильового фону, який датується, коли Всесвіт був. Близько 380 000 років. Розрив між цими двома значеннями невеликий, але він не виглядає випадковим. Є ймовірність того, що в одному з цих двох вимірювань є досі невідома помилка або що стандартна космологічна модель неповна в цікавий спосіб.

Стандартна модель нашого Всесвіту визначається лише декількома числами: швидкістю розширення Всесвіту, яка є показником щільності темної матерії (S).₈), відносний внесок складових Всесвіту (матерії, темної матерії та темної енергії), загальну щільність Всесвіту та технічну величину, яка описує, як агломерація Всесвіту у великих масштабах співвідноситься з агломерацією у малих масштабах. Космологи прагнуть перевірити цю модель, обмежуючи ці числа різними способами, наприклад, спостерігаючи флуктуації космічного мікрохвильового фону, моделюючи історію розширення Всесвіту або вимірюючи кластеризацію Всесвіту у відносно недавньому минулому.

Рисунок 2: Приклад тривимірного розподілу темної матерії, отриманий за допомогою HSC-SSP. Ця карта була отримана з використанням даних першого року, але поточне дослідження вивчило область неба втричі більшу за цю. Авторство: Токійський університет/NAOJ

Команда під керівництвом астрономів з Kavli IPMU Токійського університету[{” 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.