Przejdź do treści

Student astronomii na UJ autorem przełomowej pracy kosmologicznej

w samym centrum zdjęcia widzimy kwazar soczewkowany grawitacyjnie przez galaktykę znajdującą się przed nim, dużo bliżej ziemskiego teleskopu, który je sfotografował. Cztery równo ułożone punkty wokół niego to obrazy tego samego kwazara, powstałe właśnie 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))

Międzynarodowy zespół naukowców z Włoch, Polski i Japonii opublikował właśnie artykuł prezentujący rozwiązanie jednego z największych wyzwań we współczesnej kosmologii obserwacyjnej. Autorzy zastosowali nową metodę statystyczną, która pozwoliła im na usunięcie z danych kosmologicznych wpływu zaburzeń takich jak możliwość zaobserwowania tylko części rzeczywistej dystrybucji próbki danych. Jednocześnie uniknęli tzw. zapętlonego wnioskowania w zastosowaniach kosmologicznych. Jednym z głównych autorów tej pracy jest student astronomii na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, Aleksander Lenart.

Niemal 100 lat po odkryciu zjawiska rozszerzania się Wszechświata przez Edwina Hubble’a wciąż mamy wiele pytań bez odpowiedzi. Jak rozwiązać problem wzajemnej niezgodności różnych obserwacji przy pomiarach prędkości ekspansji Wszechświata? Jaka jest krzywizna czasoprzestrzeni? Jaka jest natura ciemnej energii? I dużo więcej.

Różnice w badanych przez naukowców modelach kosmologicznych są przy tym bardzo małe przy obserwacjach lokalnego Wszechświata, ale stają się już znaczące dla dużych odległości. I właśnie z tego powodu astronomowie wciąż podejmują próby, by wnieść nowe informacje i dane do dyskusji nad wyżej wymienionymi problemami, obserwując coraz to dalsze zakątki kosmosu.

Jeśli chcemy badać odległe miejsca we Wszechświecie, musimy używać najjaśniejszych obiektów, jakie kiedykolwiek istniały, w tym kwazarów i rozbłysków gamma. Kwazary są zasilane przez akrecję gazu na supermasywne czarne dziury rezydujące w środku ich galaktyk macierzystych. Rozbłyski gamma powstają z kolei podczas wybuchów masywnych gwiazd, zderzeń gwiazd neutronowych lub zderzeń gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. W każdym przypadku są to bardzo jasne, energetyczne zjawiska. Od czasu odkrycia tych klas obiektów astronomowie badają różne korelacje pomiędzy ich fizycznymi parametrami. Korelacje te pozwalają także na określenie ich odległości od nas. Jest to kluczowe z punktu widzenia dalszych analiz kosmologicznych, ponieważ istnieją teoretyczne równania przewidujące, jak daleko dany punkt we Wszechświecie położony jest od obserwatora w zależności od tego, jaka jest prędkość kosmologicznej ekspansji tego punktu. Prędkość ta może być zmierzona spektroskopowo, zatem możemy obliczyć teoretyczną odległość dla danego obiektu we Wszechświecie. Porównanie odległości teoretycznej i zaobserwowanej pozwala naukowcom z kolei określić, jak dobrze (pod względem statystyki) dany model kosmologiczny pasuje do tych danych obserwacyjnych.

Jednak obserwowanie odległych miejsc we Wszechświecie ma pewne wady: im dalej patrzymy, tym mniej słabo świecących obiektów widzimy. Efekt ten jest nazywany efektem biasu Malmquista.

Zjawisko to może też powodować pojawianie się „sztucznych” korelacji pomiędzy obserwowanymi wielkościami w kosmosie. Nasuwa się więc pytanie, skąd właściwie wiemy, że dana korelacja jest właściwością fizyczną Wszechświata, 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 fizycznymi 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 obserwowanych obiektów, a żeby obliczyć tę jasność, najpierw trzeba założyć pewne wartości parametrów modelu kosmologicznego. Następnie już z tymi ustalonymi wartościami określa się poprawkę na bias Malmquista. W konsekwencji zaaplikowanie poprawki sprawia, że założone wartości parametrów kosmologicznych będą faworyzowane. Jeżeli zatem ktoś chciałby użyć tak poprawionych wielkości, by przetestować, jak dobrze dopasowany statystycznie jest dany model kosmologiczny, wyniki byłyby zaburzone przez wartości założone na samym początku. Problem ten jest od dość dawna znany w nauce jako zapętlone rozumowanie (ang. circularity reasoning). Takie rozumowanie nie powinno być oczywiście stosowane w podejściu naukowym.

Nowa praca usuwa tę przeszkodę poprzez opracowanie 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, którą można zaaplikować dla każdej wartości parametrów kosmologicznych – bez zakładania jakichkolwiek wartości a priori.

Autorzy omawianej tu pracy wdrożyli nową metodę do analizy tak zwanej korelacji Risaliti-Lusso dla kwazarów. Pozwoliło to (po raz pierwszy w literaturze astronomicznej!) uzyskać rzetelne ograniczenie na wartość parametru ΩM z użyciem tych obiektów. ΩM to ważny parametr określającego gęstość materii we Wszechświecie. Uczonym udało się uzyskać przedział wartości dla tego parametru z 95% wiarygodnością. Ponadto 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 wykorzystaniem supernowych). Ku zaskoczeniu naukowców kwazary wskazują na wartość stałej Hubble’a leżącą mniej więcej pośrodku dwóch wartości tej stałej: tej uzyskanej dla supernowych i tej wyliczonej z obserwacji mikrofalowego promieniowania tła. To z kolei sugeruje, że opisywana niekompatybilność może wynikać z nieznanych nam jeszcze praw fizyki, a nie z efektów czysto statystycznych.

W celu potwierdzenia tych odważnych wniosków nowa poprawka musi jednak zostać zastosowana także do innych obiektów, w tym supernowych. Tak czy inaczej, uzyskane przez zespół wyniki dają nadzieję na dalszą poprawę precyzji wyznaczania pomiarów kosmologicznych, a tym samym poszerzenie naszej wiedzy o najodleglejszych zakątkach Wszechświata.

Omawiany artykuł został zaakceptowany do publikacji w prestiżowym czasopiśmie naukowym The Astrophysical Journal Supplement Series. Publikacja powstała przy pomocy finansowej 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.

 

Na ilustracji: 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: 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.

 

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: 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 stałej Hubble znajdują się mniej więcej pomiędzy wcześniej opisanymi wartościami. Źródło: Oryginalna publikacja.

 



Czytaj więcej:

 

Opracowanie: Aleksander Lenart, Elżbieta Kuligowska

Źródło: OAUJ

Na zdjęciu powyżej: w samym centrum zdjęcia widzimy kwazar soczewkowany grawitacyjnie przez galaktykę znajdującą się przed nim, dużo bliżej ziemskiego teleskopu, który je sfotografował. Cztery równo ułożone punkty wokół niego to obrazy tego samego kwazara, powstałe właśnie 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))

Reklama