Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Styczeń 2023
< poprzedni Archiwum następny >
Kryzys w kosmologii: statystyka na ratunek
Międzynarodowy zespół naukowców z Włoch, Polski i Japonii opublikował przełomowy artykuł prezentujący rozwiązanie jednego z największych wyzwań we współczesnej kosmologii obserwacyjnej. Autorzy zastosowali nową metodę statystyczną w celu usunięcia z danych wpływu zaburzeń takich jak możliwość obserwowania tylko części rzeczywistej dystrybucji próbki. Jednocześnie uniknęli zapętlonego wnioskowania w zastosowaniach kosmologicznych. Jednym z głównych autorów kierujących pracą jest student 3 roku astronomii na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, Aleksander Lenart. Artykuł został zaakceptowany do publikacji w prestiżowym The Astrophysical Journal Supplement Series.
Na ilustracji 1:
W centrum zdjęcia widzimy kwazar poddany soczewkowaniu grawitacyjnemu przez galaktykę znajdującą się przed nim. Cztery równo ułożone punkty to obrazy
tego samego kwazara, powstałe poprzez grawitacyjne zakrzywianie promieni światła przez soczewkującą galaktykę na pierwszym planie. Źródło:
ESA/Hubble, NASA, Suyu et al. (Lensed quasar and its surroundings | ESA/Hubble (esahubble.org))
Niemal 100 lat po odkryciu zjawiska rozszerzania się Wszechświata przez Edwina Hubble’a wciąż wiele pytań na temat Wszechświata pozostaje otwartych. Jak rozwiązać problem wzajemnej niezgodności różnych obserwacji przy pomiarach prędkości rozszerzania się Wszechświata? Jaka jest krzywizna czasoprzestrzeni? Jaka jest natura ciemnej energii? I dużo, dużo więcej… Różnice w danych modelach kosmologicznych są przy tym drobne przy obserwacjach lokalnego Wszechświata, ale stają się już znaczące dla dużych odległości. Dlatego też astronomowie próbują wnieść nowe informacje do dyskusji nad tymi problemami, obserwując coraz to dalsze zakątki kosmosu.
Aby badać odległe miejsca we Wszechświecie, naukowcy muszą używać najjaśniejszych obiektów, jakie kiedykolwiek istniały: kwazarów i rozbłysków gamma (gamma-ray bursts, GRB). Kwazary są zasilane przez opadanie gazu na supermasywną czarną dziurę rezydującą w środku galaktyki. Rozbłyski gamma powstają podczas wybuchów masywnych gwiazd, podczas zderzeń gwiazd neutronowych, lub zderzenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Zatem są to niezwykle energetyczne zjawiska. Od czasu odkrycia tych obiektów astronomowie badają różne korelacje pomiędzy ich fizycznymi parametrami. Korelacje te pozwalają na określenie odległości tych obiektów od nas. Jest to kluczowe dla analiz kosmologicznych, ponieważ mamy teoretyczne równania przewidujące, jak daleko jest dany punkt we Wszechświecie od obserwatora, w zależności od tego, jaka jest prędkość kosmologicznej ekspansji tego punktu. Prędkość ta może być zmierzona spektroskopowo, zatem możemy obliczyć teoretyczną odległość danego obiektu we Wszechświecie. Porównanie odległości teoretycznej i obserwowanej pozwala nam z kolei określić, jak dobrze (pod względem statystyki) dany model kosmologiczny pasuje do danych.
Niestety, obserwowanie odległych miejsc we Wszechświecie ma pewne wady: im dalej patrzymy, tym mniej ciemnych obiektów widzimy. Efekt ten jest nazywany efektem biasu Malmquista. Zjawisko to może też powodować istnienie sztucznych korelacji pomiędzy obserwowanymi wielkościami. Pojawia się więc pytanie: skąd wiemy, że dana korelacja jest właściwością fizyczną, a nie wynikiem biasu Malmquista? Aby odpowiedzieć na to pytanie, astronomowie używają metody zaproponowanej w pracy Efron & Petrosian (1992). Technika zaprezentowana w tym artykule skutecznie usuwa korelację pomiędzy badanymi parametrami obiektów a obserwowalnym spektroskopowym parametrem wyznaczającym jego odległość (przesunięcie ku czerwieni, redshift).
Użycie tej metody powoduje jednak kolejny problem. Wiele badanych korelacji zależy od jasności, a żeby obliczyć jasność, najpierw trzeba założyć wartości parametrów modelu kosmologicznego. Następnie, z tymi ustalonymi wartościami, określa się poprawkę na bias Malmquista. W konsekwencji zaaplikowanie tej poprawki sprawi, że założone wartości parametrów kosmologicznych będą faworyzowane. W rzeczy samej, jeżeli ktoś chciałby użyć tych poprawionych wielkości, by przetestować, jak dobrze dopasowany jest dany model kosmologiczny, wyniki byłyby zaburzone przez wartości założone na początku. Problem ten jest znany w nauce jako zapętlone rozumowanie (ang. circularity reasoning). Takie postępowanie nie może być stosowane w podejściu naukowym.
Nowa praca usuwa tą przeszkodę – poprzez stworzenie nowego, bardziej ogólnego podejścia niż to z pracy Efron & Petrosian z 1992 roku. Po raz pierwszy zależność tej poprawki od wartości parametrów kosmologicznych była dyskutowana przez Dainotti et al. (2022, zespół w podobnym składzie do autorów omawianego artykułu), jednak dopiero autorzy pracy Lenart & Bargiacchi et. al (2023) skutecznie zaproponowali nową metodę, która używa poprawki na bias Malmquista jako funkcji parametrów kosmologicznych. Pozwala to na stworzenie ogólnej postaci tej poprawki, aplikowalnej dla każdej wartości parametrów kosmologicznych, która może być zastosowana bez zakładania żadnych wartości a priori.
Autorzy wdrożyli tę metodę do analizy tak zwanej korelacji Risaliti-Lusso, łączącej dwa różne rodzaje jasności dla kwazarów. Pozwoliło to po raz pierwszy w literaturze uzyskać rzetelne ograniczenie na wartość parametru ΩM z użyciem tych obiektów. ΩM to parametr określającego gęstość materii we Wszechświecie, i udało się uzyskać przedział wartości dla tego parametru z 95% dokładnością. Ponadto autorzy zastosowali opisaną analizę, by zbadać wpływ pomiarów dokonywanych na dużych odległościach na tak zwany problem stałej Hubble’a (statystyczna niekompatybilność pomiarów tempa rozszerzania się Wszechświata opartych na dwóch różnych metodach: z użyciem mikrofalowego promieniowania tła i z użyciem supernowych). Ku zaskoczeniu naukowców kwazary wskazują na wartość stałej Hubble’a leżącą pośrodku dwóch wartości: tej uzyskanej dla supernowych i tej wyliczonej z mikrofalowego promieniowania tła. To sugeruje, że opisywana niekompatybilność może wynikać z nieznanej jeszcze fizyki, a nie z efektów statystycznych. Jednakże w celu potwierdzenia takich wniosków nowa poprawka musi zostać zastosowana również do innych obiektów, takich jak supernowe. Uzyskane wyniki dają nadzieję na dalszą poprawę pomiarów kosmologicznych, a tym samym rozszerzenie naszej wiedzy o najodleglejszych zakątkach Wszechświata.
Na ilustracji 2: Po lewej stronie widzimy korelację pomiędzy jasnością mierzoną w zakresie
promieniowania X a jasnością w zakresie optycznym dla kwazarów, bez poprawki na bias Malmquista. Po prawej – tę samą korelację, ale poprawioną
na opisany efekt. Po lewej widać wyraźną zależność korelacji od przesunięcia ku czerwieni, podczas gdy po prawej takiej zależności nie ma.
Źródło: Oryginalna publikacja.
Na ilustracji 3: Wartości stałej Hubble’a H0 uzyskane dla różnych próbek i metod.
Szare pionowe linie reprezentują wartości H0 otrzymane z użyciem mikrofalowego promieniowania tła (po lewej) i supernowych (po prawej).
Po dodaniu kwazarów do analizy obejmującej supernowe można zauważyć, że otrzymane wartości H0 znajdują się pomiędzy wcześniej opisanymi
wartościami. Źródło: Oryginalna publikacja.
Oryginalna publikacja: Aleksander Łukasz Lenart, Giada Bargiacchi, Maria Giovanna Dainotti, Shigehiro Nagataki, Salvatore Capozziello, A bias-free cosmological analysis with quasars alleviating H0 tension, arXiv:2211.10785 [astro-ph.CO] (2022).
Wydanie omawianej publikacji było możliwe m.in. dzięki pomocy finansowej ze środków Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i Rady Programowej Studiów Matematyczno-Przyrodniczych przy Uniwersytecie Jagiellońskim. Autorzy składają również podziękowania National Astronomical Observatory of Japan i RIKEN za wsparcie w realizacji pracy i częściowe sfinansowanie publikacji.
|
Aleksander Lenart Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego Aleksander.Lenart [@] student.uj.edu.pl |
