Астрономы из Токийского университета и Института астрофизики Макса Планка разработали новый метод анализа трёхмерных карт галактик, который может раскрыть скрытую информацию о тёмной материи и тёмной энергии. Метод, названный «полевым выводом» (field-level inference, FLI), использует мощные компьютерные алгоритмы для сравнения относительных положений галактик в трёхмерной карте Вселенной с детальными симуляциями, отображающими рост и поведение галактик и гало тёмной материи.

Традиционно астрономы проводили обзоры галактик, делая снимки глубокого космоса на фотопластинках и затем измеряя пространственное распределение галактик в двух измерениях. Они пытались ответить на вопросы вроде «Насколько близко эти галактики находятся к своим соседям?» и «Насколько хорошо они выровнены друг с другом?» В современную эпоху к этим обзорам добавилось третье измерение благодаря многообъектной спектроскопии, которая измеряет красное смещение галактик и, следовательно, расстояние до них в расширяющейся Вселенной в наблюдаемом объёме пространства. С помощью таких измерений расстояний до галактик стало возможным создать трёхмерную карту Вселенной. Однако исследователи подозревали, что при таком сжатии теряется важная информация.

Новый метод FLI работает напрямую с трёхмерной картой галактик, представленной в компьютере в виде вокселей – трёхмерных пикселей в решётчатой сетке.

Слева: двух- и трёхточечные корреляционные функции. Справа: FLI анализирует всю информацию в поле галактики. Источник: MPA

Команда учёных под руководством астронома Минь Нгуена применила FLI в сочетании с набором алгоритмов в рамках системы LEFTfield, моделирующей рост и скопление галактик от ранней Вселенной до наших дней. Результаты показали улучшение детализации и точности анализа в 3-5 раз по сравнению с двух- и трёхточечными корреляционными функциями.

Эта дополнительная информация может помочь учёным проверить стандартную модель космологии и выявить возможные отклонения от неё, которые могут повлиять на понимание «тёмной Вселенной». FLI может раскрыть асимметрии в квантовых флуктуациях Большого взрыва, которые привели к образованию галактик, или аномалии в гравитационной эволюции галактик, что может дать новые сведения о тёмной материи или самой гравитации.

«Имея доступ ко всему базовому полю тёмной материи, связанному с наблюдаемым полем галактик, мы можем быть более чувствительны к локальным эффектам», – пояснил Нгуен. Такие локальные эффекты усредняются при анализе с использованием n-точечных функций.

Следующим шагом станет применение FLI к реальным данным от таких инструментов, как Спектроскопический инструмент тёмной энергии в Национальной обсерватории Китт-Пик, Спектрограф телескопа «Субару» и миссия Европейского космического агентства «Евклид». В будущем метод планируется использовать с данными от Обсерватории имени Веры Рубин и Космического телескопа «Нэнси Грейс Роман».

Фабиан Шмидт, один из соавторов исследования, отметил: «Это довольно изящно, учитывая, что мы не можем наблюдать тёмную материю напрямую, и дополняет карты тёмной материи, построенные на основе гравитационного линзирования».

Новый метод анализа может не только улучшить понимание распределения галактик во Вселенной, но и привести к открытиям о происхождении всего, что мы наблюдаем в космосе.

Подробнее на iXBT