Licht van verre sterrenstelsels onthult belangrijke informatie over de aard van het universum en stelt wetenschappers in staat zeer nauwkeurige modellen van de geschiedenis te ontwikkelen, evolutie en structuur van de kosmos.

De zwaartekracht geassocieerd met enorme hoeveelheden donkere materie die tussen de aarde en deze sterrenstelsels liggen, echter, speelt verwoesting met die galactische lichtsignalen. Zwaartekracht vervormt het licht van sterrenstelsels - een proces dat zwaartekrachtlens wordt genoemd - en lijnt de sterrenstelsels ook enigszins fysiek uit, wat resulteert in extra zwaartekrachtlensende lichtsignalen die de echte gegevens vervuilen.

In een studie die voor het eerst werd gepubliceerd op 5 augustus in The Astrofysische journaalbrieven , Wetenschappers van de Universiteit van Texas in Dallas demonstreerden het eerste gebruik van een methode genaamd zelfkalibratie om verontreiniging uit zwaartekrachtlenssignalen te verwijderen. De resultaten moeten leiden tot nauwkeuriger kosmologische modellen van het heelal, zei Dr. Mustapha Ishak-Boushaki, hoogleraar natuurkunde aan de School of Natural Sciences and Mathematics en de corresponderende auteur van de studie.

"De zelfkalibratiemethode is iets wat anderen ongeveer 10 jaar geleden voorstelden; velen dachten dat het slechts een theoretische methode was en gingen er vanaf, " Zei Ishak-Boushaki. "Maar ik voelde intuïtief de belofte. Na acht jaar aanhoudend onderzoek om de methode zelf te laten rijpen, en dan de laatste twee jaar toepassen op de gegevens, het wierp vruchten af ​​met belangrijke gevolgen voor kosmologische studies."

Een lens op het universum

Gravitatielenzen zijn een van de meest veelbelovende methoden in de kosmologie om informatie te verschaffen over de parameters die ten grondslag liggen aan het huidige model van het universum.

"Het kan ons helpen de verdeling van donkere materie in kaart te brengen en informatie te ontdekken over de structuur van het universum. Maar de meting van dergelijke kosmologische parameters kan tot 30% afwijken als we de verontreiniging niet extraheren in het zwaartekrachtlenssignaal, ' zei Ishak-Boushaki.

Vanwege de manier waarop verre sterrenstelsels worden gevormd en de omgeving waarin ze zich vormen, ze zijn enigszins fysiek uitgelijnd met de donkere materie dichtbij hen. Deze intrinsieke uitlijning genereert extra valse lenssignalen, of een vooroordeel, die de gegevens van de sterrenstelsels besmetten en zo de meting van belangrijke kosmologische parameters scheeftrekken, inclusief die welke de hoeveelheid donkere materie en donkere energie in het universum beschrijven en hoe snel sterrenstelsels van elkaar weg bewegen.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken, er zijn twee soorten intrinsieke uitlijning die verschillende mitigatiemethoden vereisen. In hun studie hebben het onderzoeksteam gebruikte de zelfkalibratiemethode om de hinderlijke signalen te extraheren uit een soort uitlijning die intrinsieke vorm-gravitationele afschuiving wordt genoemd, wat het meest kritische onderdeel is.

"Ons werk vergroot de kans op succes om de eigenschappen van donkere energie op een nauwkeurige manier te meten aanzienlijk, waardoor we kunnen begrijpen wat de kosmische versnelling veroorzaakt, "Zei Ishak-Boushaki. "Een ander effect zal zijn om nauwkeurig te bepalen of Einsteins algemene relativiteitstheorie op zeer grote schaal in het universum standhoudt. Dat zijn heel belangrijke vragen."

Impact op kosmologie

Verschillende grote wetenschappelijke onderzoeken gericht op een beter begrip van het universum zijn in de maak, en ze zullen zwaartekrachtlensgegevens verzamelen. Deze omvatten de Legacy Survey of Space and Time (LSST) van het Vera C. Rubin Observatory, de Euclid-missie van de European Space Agency en de Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA.

"De grote winnaar hier zullen deze komende onderzoeken naar zwaartekrachtlenzen zijn. We zullen echt in staat zijn om het volledige potentieel van hen te krijgen om ons universum te begrijpen, " zei Ishak-Boushaki, die lid en organisator is van de Dark Energy Science Collaboration van de LSST.

De zelfkalibratiemethode om besmette signalen te verwijderen werd voor het eerst voorgesteld door Dr. Pengjie Zhang, een professor in de astronomie aan de Shanghai Jiao Tong University en een co-auteur van de huidige studie.

Ishak-Boushaki heeft de methode verder ontwikkeld en geïntroduceerd op het gebied van kosmologische waarnemingen, samen met een van zijn oud-studenten, Michael Troxel MS'11, Ph.D.'14, nu een assistent-professor natuurkunde aan de Duke University. Sinds 2012 wordt het onderzoek ondersteund door twee subsidies aan Ishak-Boushaki van de National Science Foundation (NSF).

"Niet iedereen was er zeker van dat zelfkalibratie tot zo'n belangrijk resultaat zou leiden. Sommige collega's waren bemoedigend, sommige waren sceptisch, " Zei Ishak-Boushaki. "Ik heb geleerd dat het loont om niet op te geven. Mijn intuïtie was dat als het goed werd gedaan, het zou werken, en ik ben de NSF dankbaar voor het zien van de belofte van dit werk."