Astronomia

Le lenti gravitazionali forniscono informazioni sull'evoluzione temporale?

Le lenti gravitazionali forniscono informazioni sull'evoluzione temporale?


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Quando vediamo più immagini dello stesso oggetto a causa del fenomeno della lente gravitazionale, tutte le immagini mostrano l'oggetto della lente nello stesso momento?

Ci vuole la stessa quantità di tempo perché la luce dell'oggetto con l'obiettivo ci raggiunga, indipendentemente dall'immagine che guardiamo o stiamo guardando l'oggetto con l'obiettivo in momenti diversi e, in tal caso, quanto può essere grande la differenza di tempo in genere?


I ritardi temporali tra la luce ricevuta da più immagini con lenti sono un fenomeno ben noto e comunemente studiato. Un tipico esempio può essere trovato in Koopmans et al. (2003) dove studiano un sistema di lenti quadruple formato da un oggetto in primo piano a z=0.6 e una sorgente di sfondo a z=1,4. I tempi misurati sono di 31-77 giorni e questo sembra essere tipico degli oggetti studiati finora.

Il ritardo dipende dalla differenza nella lunghezza del percorso presa dalle immagini multiple. Questo a sua volta dipende dalla distanza dalla sorgente e dalla distanza tra la sorgente e l'oggetto che fa la lente e dalla distribuzione della massa attorno all'oggetto che fa la lente. Dipende anche dal tasso di espansione dell'universo, che fornisce un percorso per stimare il parametro di Hubble.

Una regola empirica sembra essere che il ritardo sia di ordine $r_s/c$, dove $r_s = 2GM/c^2$, dove $ M $ è la massa della lente interna al percorso del raggio luminoso. $$ au sim 10^{-5} left(frac{M}{M_{odot}} ight) { m sec}$$ Quindi per un $10^{12}M_{odot}$ galassia lente in primo piano (una grande spirale come la Via Lattea), il ritardo è di circa 100 giorni.


I ricercatori studiano la lente gravitazionale attorno a un ammasso di galassie estremamente denso

Luce visibile e massa totale. Viene mostrata l'immagine a colori composita di PSZ2 G099.86+58.45 che sfrutta le immagini CFHTLS in banda g, re i. I contorni seguono la distribuzione di massa ricostruita dalla luce WL (bianca) e ottica i (rossa) delle galassie con redshift fotometrico entro ±0.06(1 + zcl) del redshift del cluster (zcl). Più lungo è il trattino, maggiore è il valore del contorno. La mappa è centrata sul BCG e il nord è in alto. Barra della scala, 1 Mpc h -1 . Credito: (c) Astronomia della natura (2018). DOI: 10.1038/s41550-018-0508-y

Gli aloni di materia oscura sono corpi teorici all'interno dei quali sono sospese le galassie la massa dell'alone domina la massa totale. Questi aloni non possono essere osservati direttamente, ma gli astronomi deducono la loro presenza dal fenomeno della lente gravitazionale, la distorsione degli oggetti sullo sfondo da parte di forti sorgenti gravitazionali che fungono da lenti. Gli astronomi possono persino studiare galassie lontane ingrandite dalla lente gravitazionale di oggetti gravitazionali più vicini.

I ricercatori sanno da decenni che l'aggregazione delle galassie non rispecchia l'aggregazione della maggior parte della materia nell'universo. Il concetto che la distribuzione delle galassie sia correlata alla densità della materia in un dato sito nell'universo risale al 1984. In un ammasso di galassie, la distribuzione della materia è altamente raggruppata e si formano aloni al culmine di questa distribuzione. Questo è chiamato halo bias.

Halo bias può anche essere inquadrato come la relazione tra la distribuzione spaziale delle galassie e il sottostante campo di densità della materia oscura. Il clustering è migliorato rispetto alla distribuzione generale della massa nel cluster. Ma ci sono altre proprietà teorizzate oltre alla massa che possono influenzare i fisici del clustering che si riferiscono a questi come bias secondari, ma gli sforzi per identificarli sono stati inconcludenti.

Recentemente, un gruppo di ricercatori italiani ha pubblicato un rapporto in Astronomia della natura su uno studio di PSZ2 GO99.86+58.45, un ammasso di galassie estremamente denso con un segnale di lente gravitazionale molto grande. Riferiscono che il sistema è estremamente raro nel quadro della formazione della struttura galattica e le sue caratteristiche implicano fortemente l'efficacia di meccanismi di potenziamento diversi dalla massa sugli aloni di materia oscura.

I ricercatori hanno analizzato i dati di due cataloghi di taglio disponibili pubblicamente: CFHTLenS e RCSLens. Hanno scoperto che la periferia dell'ammasso ha un segnale di lente gravitazionale molto grande tracciabile fino a 30 megaparsec. Il suo elevato rapporto segnale-rumore implica una densità di materia ambientale che supera di gran lunga la densità media cosmologica. Riferiscono che l'estrema densità di questo ammasso non può essere attribuita esclusivamente alla massa.

Inoltre, i ricercatori riferiscono che le loro scoperte concordano bene con il modello Lambda della materia oscura fredda (ΛCDM), che sostiene che l'universo contiene una costante cosmologica denotata Λ associata all'energia oscura e alla materia oscura fredda. La materia oscura fredda è una forma ipotetica di materia oscura in cui le particelle di materia oscura si muovono più lentamente della luce. Il modello ΛCDM propone che la struttura nell'universo si formi gerarchicamente dal basso verso l'alto, poiché le strutture più piccole collassano sotto l'influenza della propria gravità e si fondono continuamente in strutture più grandi. Attualmente è il modello preferito per la formazione di strutture nell'universo.

I ricercatori concludono rilevando l'utilità dell'analisi delle lenti nello studio degli ammassi di galassie. Scrivono: "Le indagini sulle galassie di nuova generazione eseguiranno regolarmente l'analisi delle lenti di singoli aloni fino a raggi molto grandi, come abbiamo presentato qui".

Astratto
Gli ammassi di galassie si formano nei nodi a più alta densità della rete cosmica. Il raggruppamento di aloni di materia oscura che ospitano questi ammassi di galassie è migliorato rispetto alla distribuzione di massa generale, con la densità di materia oltre la regione del viriale fortemente correlata alla massa dell'alone (halo bias). Le proprietà dell'alone diverse dalla massa possono migliorare ulteriormente il clustering dell'alone (bias secondario). Le campagne di osservazione hanno accertato il pregiudizio dell'alone, ma gli sforzi per rilevare questo pregiudizio secondario per gli aloni massicci sono stati inconcludenti. Qui riportiamo l'analisi del bias ambientale in un campione di ammassi massicci, selezionati attraverso l'effetto Sunyaev-Zel'dovich dalla missione Planck, concentrandosi sul rilevamento della materia oscura ambientale correlata a un singolo ammasso, PSZ2 G099.86 +58.45. Il segnale di lente gravitazionale della periferia è molto ampio e può essere tracciato fino a 30 megaparsec con un elevato rapporto segnale-rumore (circa 3,4), il che implica una densità di materia ambientale in notevole eccesso rispetto alla media cosmologica. La nostra scoperta rivela che questo sistema è estremamente raro nell'attuale paradigma di formazione della struttura e implica che i meccanismi di potenziamento attorno agli aloni di grande massa possono essere molto efficaci. Le future indagini sulle lenti sonderanno i dintorni dei singoli aloni, consentendo lo studio della loro formazione ed evoluzione della struttura.


L'astrofisica migliora i segnali della lente gravitazionale per un modello cosmologico più accurato dell'universo

La luce proveniente da galassie lontane rivela importanti informazioni sulla natura dell'universo e consente agli scienziati di sviluppare modelli ad alta precisione della storia, dell'evoluzione e della struttura del cosmo.

La gravità associata a enormi sacche di materia oscura che si trovano tra la Terra e queste galassie, tuttavia, crea scompiglio con quei segnali luminosi galattici. La gravità distorce la luce delle galassie - un processo chiamato lente gravitazionale - e allinea anche leggermente le galassie fisicamente, risultando in ulteriori segnali luminosi di lente gravitazionale che contaminano i dati reali.

In uno studio pubblicato su Le Lettere del Giornale Astrofisico, gli scienziati dell'Università del Texas a Dallas hanno dimostrato il primo utilizzo di un metodo chiamato autocalibrazione per rimuovere la contaminazione dai segnali di lenti gravitazionali. I risultati dovrebbero portare a modelli cosmologici più accurati dell'universo, ha affermato il dott. Mustapha Ishak-Boushaki, professore di fisica presso la Scuola di Scienze Naturali e Matematica e corrispondente autore dello studio.

"Il metodo di autocalibrazione è qualcosa che altri hanno proposto circa 10 anni fa, molti pensavano che fosse solo un metodo teorico e si sono allontanati da esso", ha detto Ishak-Boushaki. “Ma ho sentito intuitivamente la promessa. Dopo otto anni di ricerche persistenti che hanno fatto maturare il metodo stesso, e poi gli ultimi due anni applicandolo ai dati, ha dato frutti con importanti conseguenze per gli studi cosmologici».

Una lente sull'universo

La lente gravitazionale è uno dei metodi più promettenti in cosmologia per fornire informazioni sui parametri che stanno alla base dell'attuale modello dell'universo.

“Può aiutarci a mappare la distribuzione della materia oscura e scoprire informazioni sulla struttura dell'universo. Ma la misurazione di tali parametri cosmologici può essere errata fino al 30% se non estraiamo la contaminazione nel segnale di lente gravitazionale", ha detto Ishak-Boushaki.

Abell 370 è un ammasso di galassie a circa 4 miliardi di anni luce dalla Terra in cui gli astronomi osservano il fenomeno della lente gravitazionale, la deformazione dello spazio-tempo causata dal campo gravitazionale dell'ammasso che distorce la luce delle galassie che si trovano molto dietro di esso. Questo si manifesta come archi e striature nell'immagine, che sono le immagini allungate delle galassie sullo sfondo. Credito: NASA, ESA e STScI

A causa del modo in cui si formano le galassie lontane e dell'ambiente in cui si formano, sono leggermente allineate fisicamente con la materia oscura vicino a loro. Questo allineamento intrinseco genera ulteriori segnali spuri di lente, o un bias, che contaminano i dati dalle galassie e quindi distorcono la misurazione dei parametri cosmologici chiave, inclusi quelli che descrivono la quantità di materia oscura e di energia oscura nell'universo e quanto velocemente si muovono le galassie lontano l'uno dall'altro.

Per complicare ulteriormente le cose, ci sono due tipi di allineamento intrinseco che richiedono diversi metodi di mitigazione. Nel loro studio, il team di ricerca ha utilizzato il metodo di autocalibrazione per estrarre i segnali di disturbo da un tipo di allineamento chiamato taglio gravitazionale di forma intrinseca, che è il componente più critico.

"Il nostro lavoro aumenta significativamente le possibilità di successo nel misurare le proprietà dell'energia oscura in modo accurato, il che ci permetterà di capire cosa sta causando l'accelerazione cosmica", ha detto Ishak-Boushaki. “Un altro impatto sarà determinare con precisione se la teoria della relatività generale di Einstein regge su scale molto grandi nell'universo. Queste sono domande molto importanti».

Impatto sulla cosmologia

Sono in corso diversi grandi sondaggi scientifici volti a comprendere meglio l'universo e raccoglieranno dati sulle lenti gravitazionali. Questi includono il Legacy Survey of Space and Time (LSST) dell'Osservatorio Vera C. Rubin, la missione Euclid dell'Agenzia spaziale europea e il telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA.

“Il nostro lavoro aumenta significativamente le possibilità di successo di misurare le proprietà dell'energia oscura in modo accurato, il che ci permetterà di capire cosa sta causando l'accelerazione cosmica. Un altro impatto sarà determinare con precisione se la teoria della relatività generale di Einstein regge su scale molto grandi nell'universo. Queste sono domande molto importanti».

— Dr. Mustapha Ishak-Boushaki, professore di fisica presso la Scuola di Scienze Naturali e Matematica

“Il grande vincitore qui saranno questi prossimi sondaggi sulla lente gravitazionale. Saremo davvero in grado di ottenere da loro il pieno potenziale per comprendere il nostro universo", ha affermato Ishak-Boushaki, che è membro e organizzatore della Dark Energy Science Collaboration di LSST.

Il metodo di autocalibrazione per rimuovere i segnali contaminati è stato proposto per la prima volta dal Dr. Pengjie Zhang, professore di astronomia alla Shanghai Jiao Tong University e coautore dello studio attuale.

Ishak-Boushaki sviluppò ulteriormente il metodo e lo introdusse nel regno delle osservazioni cosmologiche, insieme a uno dei suoi ex studenti, Michael Troxel MS'11, PhD'14, ora assistente professore di fisica alla Duke University. Dal 2012 la ricerca è stata supportata da due sovvenzioni a Ishak-Boushaki della National Science Foundation (NSF).

“Non tutti erano sicuri che l'autocalibrazione avrebbe portato a un risultato così importante. Alcuni colleghi incoraggiavano, altri erano scettici", ha detto Ishak-Boushaki. “Ho imparato che vale la pena non arrendersi. La mia intuizione è stata che se fosse stato fatto bene, avrebbe funzionato e sono grato alla NSF per aver visto la promessa di questo lavoro".

Riferimento: “Prima rilevazione del tipo GI degli allineamenti intrinseci delle galassie utilizzando il metodo di autocalibrazione in un'indagine fotometrica della galassia” di Eske M. Pedersen, Ji Yao, Mustapha Ishak e Pengjie Zhang, 5 agosto 2020, Le lettere del diario di astrofisica.
DOI: 10.3847/2041-8213/aba51b

Altri autori dello studio sono il dottorando in fisica UT Dallas Eske Pedersen, autore principale e Ji Yao PhD'18, ricercatore presso la Shanghai Jiao Tong University.


Le lenti gravitazionali di Einstein potrebbero chiarire il acceso dibattito sull'espansione del cosmo

Orditi nel tessuto dello spazio-il tempo può agire come una lente d'ingrandimento e questo potrebbe aiutare a risolvere un mistero cosmico sulla velocità di espansione dell'universo, secondo un nuovo studio.

Questa ricerca potrebbe un giorno portare a modelli più accurati del cosmo, che potrebbero far luce sul destino ultimo dell'universo, hanno detto i ricercatori.

L'universo ha continuato ad espandersi dalla sua nascita, circa 13,8 miliardi di anni fa. Misurando l'attuale tasso di espansione cosmica, noto come costante di Hubble, gli scienziati possono provare a imparare il destino dell'universo, ad esempio se si espanderà per sempre, collasserà su se stesso o si lacererà completamente.

Attualmente ci sono due strategie principali per misurare la costante di Hubble. Uno riguarda il monitoraggio di oggetti vicini di cui gli scienziati comprendono bene le proprietà, come le esplosioni stellari note come supernova e stelle pulsanti conosciute come Variabili cefeidi, per stimare le loro distanze. L'altro si concentra sul sfondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang, esaminando come è cambiata nel tempo.

Tuttavia, questa coppia di tecniche ha prodotto due risultati diversi per il valore della costante di Hubble. I dati del fondo cosmico a microonde suggeriscono che l'universo si sta espandendo a una velocità di circa 41,9 miglia (67,5 chilometri) al secondo per megaparsec (una distanza equivalente a 3,26 milioni di anni luce). Tuttavia, i dati delle supernove e delle Cefeidi nell'universo vicino suggeriscono una velocità di circa 46 miglia (74 km) al secondo per megaparsec.

Questa discrepanza suggerisce che il modello cosmologico standard - l'attuale comprensione degli scienziati della struttura e della storia dell'universo - potrebbe essere sbagliato. Risolvere questo dibattito, noto come il conflitto costante di Hubble, potrebbe far luce sull'evoluzione del cosmo.

Nel nuovo studio, un team internazionale di ricercatori ha esplorato un altro modo per misurare la costante di Hubble. Questa strategia dipende dalla definizione di gravità, secondo Albert Einstein teoria della relatività generale, come risultato della distorsione della massa spazio-tempo. Maggiore è la massa di un oggetto, più lo spazio-tempo si curva intorno all'oggetto, e quindi più forte è l'attrazione gravitazionale dell'oggetto.

Ciò significa che la gravità può anche piegare la luce come farebbe una lente, quindi gli oggetti visti attraverso potenti campi gravitazionali, come quelli prodotti da galassie massicce, vengono ingranditi. Lente gravitazionale è stato scoperto un secolo fa e oggi gli astronomi usano spesso queste lenti per vedere caratteristiche altrimenti troppo distanti e deboli da rilevare anche con i telescopi più grandi.

La nuova ricerca analizza le lenti gravitazionali per stimare le loro distanze dalla Terra, dati che potrebbero aiutare i ricercatori a stimare la velocità con cui l'universo si è espanso nel tempo.


"Il nuovo metodo ha un grande potenziale per fornire una prospettiva unica nella misurazione della costante di Hubble", ha detto a Space.com l'autore principale dello studio Inh Jee, ex astrofisico presso il Max Planck Institute for Astrophysics a Garching, in Germania.

Una chiave per stimare la distanza di una lente gravitazionale dalla Terra dipende da una strana caratteristica della lente gravitazionale: spesso produce più immagini di oggetti lenti che circondano la lente, risultando in un cosiddetto "Croce di Einstein." Poiché la luce che crea queste immagini segue percorsi di diversa lunghezza intorno all'obiettivo, qualsiasi variazione nella luminosità di un oggetto con l'obiettivo sarà visibile in alcune immagini prima delle altre. Maggiore è la massa dell'obiettivo, maggiore è la flessione della luce, e quindi maggiore è la differenza di tempo tra le osservazioni delle immagini.Gli scienziati possono utilizzare questi dettagli per stimare l'intensità del campo gravitazionale della lente e quindi la sua massa.

Quella massa può quindi alimentare i calcoli utilizzati per stimare la distanza. Ma prima gli scienziati hanno bisogno di un'ulteriore misurazione chiave.


L'altra chiave per stimare la distanza di una galassia con lente gravitazionale dalla Terra consiste nell'analizzare le posizioni e le velocità delle stelle all'interno della lente. Quando questi dettagli sono combinati con le stime della massa e della forza del campo gravitazionale della galassia lente, gli scienziati possono stimare il diametro effettivo della galassia lente.

Possono quindi confrontare il diametro effettivo di una galassia lente con il suo diametro apparente visto dalla Terra. La differenza tra questi valori può aiutare i ricercatori a stimare quanto deve essere lontana una galassia di una data dimensione per apparire della dimensione che ha dalla Terra.

I ricercatori hanno applicato questa tecnica a due sistemi di lenti gravitazionali. Nei loro risultati, gli scienziati hanno raggiunto una costante di Hubble con un valore di circa 51,2 miglia (82,4 km) al secondo per megaparsec. Sebbene questo valore sia superiore a entrambi i valori più stabiliti per la costante di Hubble, Jee ha notato che ci sono ancora alti livelli di incertezza con questo metodo. Con più dati che portano a una maggiore certezza, questa tecnica potrebbe finire per favorire l'uno o l'altro valore stabilito, o potrebbe effettivamente portare a un terzo valore diverso, ha detto.

"Poiché questo è un nuovo metodo con grandi incertezze, abbiamo molto spazio per migliorare la misurazione", ha detto Jee. "Affinché il metodo fornisca un livello di precisione competitivo rispetto ad altri metodi, abbiamo bisogno di misurazioni migliori dei movimenti delle stelle nelle galassie lente".

Questa nuova tecnica offre un potenziale vantaggio rispetto alle strategie che cercano di misurare la costante di Hubble basata sul fondo cosmico a microonde: quest'ultima si basa molto su uno dei numerosi modelli cosmologici concorrenti utilizzati per prevedere l'evoluzione dell'universo nel tempo, mentre questo nuovo metodo no, disse Jee. Rispetto alle strategie che cercano di misurare la costante di Hubble sulla base di supernove vicine e variabili Cefeidi, questo metodo offre un altro vantaggio: in queste strategie, le misurazioni delle distanze dagli oggetti vicini possono essere errate se l'ambiente vicino differisce significativamente dall'universo più distante, lei ha aggiunto.

"Avremo dozzine di nuovi sistemi di lenti nel prossimo futuro che ci consentiranno di ridurre sostanzialmente la nostra incertezza di misurazione", ha detto a Space.com la coautrice dello studio Sherry Suyu del Max Planck Institute for Astrophysics.

Jee, Suyu e i loro colleghi dettagliati le loro scoperte nel numero del 13 settembre della rivista Science.


Misurazione delle masse delle nane bianche con la lente gravitazionale

Un'immagine Hubble della stella nana bianca PM I12506+4110E (l'oggetto luminoso, visto in nero in questa stampa negativa) e del suo campo che include due stelle distanti PM12-MLC1&2. Le linee tratteggiate mostrano due possibili percorsi che la nana bianca seguirà, con uno di loro che passa una stella abbastanza vicino da provocare un evento di lente gravitazionale. Gli astronomi hanno proposto di utilizzare tali eventi per determinare le masse di oggetti compatti come questa nana bianca. (Credito: )

Misurare la massa di un corpo celeste è uno dei compiti più impegnativi nell'astronomia osservativa. Il metodo di maggior successo utilizza sistemi binari perché i parametri orbitali del sistema dipendono dalle due masse. Nel caso dei buchi neri, delle stelle di neutroni e delle nane bianche, gli stati finali dell'evoluzione stellare, molti sono oggetti isolati e la maggior parte di essi è anche molto debole. Di conseguenza, gli astronomi non conoscono ancora la distribuzione delle loro masse. Sono di grande interesse, tuttavia, perché partecipano a eventi drammatici come l'accrescimento di materiale e l'emissione di radiazioni energetiche, o in fusioni che possono provocare onde gravitazionali, lampi di raggi gamma o supernovae di tipo Ia, tutti dipendenti da massa di un oggetto.

Gli astronomi CfA Alexander Harding, Rosanne Di Stefano e Claire Baker e tre colleghi propongono un nuovo metodo per determinare le masse di oggetti compatti isolati: la lente gravitazionale. Il percorso di un raggio di luce sarà piegato dalla presenza di massa, un effetto calcolato dalla Relatività Generale. Un corpo massiccio agirà come una lente per distorcere l'immagine di un oggetto visto dietro di esso quando i due sono vicini ad essere allineati lungo la nostra linea di vista, e le specifiche delle distorsioni dell'immagine dipenderanno dalla massa del corpo. Gli astronomi descrivono le prospettive per prevedere gli eventi di lensing generati da oggetti compatti vicini mentre i loro movimenti li portano attraverso il campo delle stelle sullo sfondo.

Il team stima che la vicina popolazione di oggetti compatti contenga circa 250 stelle di neutroni, 5 buchi neri e circa 35.000 nane bianche adatte a questo studio. Conoscendo i movimenti generali delle nane bianche nel cielo, ottengono una stima statistica di circa 30-50 eventi di lente per decennio che potrebbero essere individuati da Hubble, dalla missione Gaia dell'ESA o dal nuovo telescopio JWST della NASA. Il prossimo passo in questo sforzo è utilizzare indagini stellari in corso come quella di Gaia per perfezionare le posizioni e i movimenti dei corpi per essere in grado di prevedere in modo specifico quali oggetti monitorare per l'obiettivo.

"Previsione della lente gravitazionale da parte di resti stellari", Alexander J. Harding, R. Di Stefano, S. Lepine, J. Urama, D. Pham e C. Baker, MNRAS 475, 79, 2018.


I raggi gamma e le lenti gravitazionali forniscono accenni di materia oscura

Un confronto tra i dati delle lenti gravitazionali e le osservazioni dei raggi gamma ha rivelato che le regioni del cielo con maggiori concentrazioni di materia emettono più raggi gamma. I ricercatori che hanno svolto il lavoro concludono che gran parte della correlazione è probabilmente dovuta all'azione dei buchi neri supermassicci, ma affermano che parte dell'emissione potrebbe essere dovuta alla materia oscura.

Quando la luce viaggia verso la Terra da un oggetto distante, può essere influenzata dalla deformazione dello spazio causata dalla gravità degli oggetti massicci che attraversa lungo il percorso. Ciò si traduce in una distorsione dell'immagine dell'oggetto che vediamo — e il tipo e il grado di distorsione rivelano la distribuzione della massa lungo il percorso della luce. Dopo aver tenuto conto di tutti gli oggetti visibili in primo piano, si presume che ciò che rimane nella distribuzione di massa sia materia oscura, una sostanza ancora non rilevata che si stima costituisca circa il 25% del contenuto di energia/massa dell'universo.

Gli astrofisici studiano anche le emissioni di raggi gamma da luoghi che si ritiene contengano molta materia oscura, come il centro della Via Lattea. Questa radiazione potrebbe essere generata quando l'ipotetica materia oscura chiamata particelle massive debolmente interagenti (WIMP) si scontrano e si annichilano a vicenda. Ad oggi, tuttavia, tali studi sono stati inconcludenti sull'esistenza delle WIMP.

Fonti non risolte

L'ultimo lavoro esamina nove anni di dati sui raggi gamma provenienti dal Large Area Telescope a bordo del satellite Fermi della NASA. Questi dati hanno precedentemente rivelato molte singole sorgenti di raggi gamma, come i resti di esplosioni di supernova o blazar, getti di materia ionizzata prodotti quando buchi neri supermassicci al centro di alcune galassie accumulano materiale circostante. Tuttavia, tali sorgenti non possono spiegare tutte le radiazioni rilevate. Invece, oggetti troppo deboli per essere rivelati individualmente generano ciò che è noto come sfondo di raggi gamma irrisolto.

Lo studio è stato condotto da Simone Ammazzalorso dell'Università di Torino in Italia e colleghi, che hanno confrontato le misurazioni del fondo dei raggi gamma con i dati del primo anno del Dark Energy Survey – istantanee ottiche di 40 milioni di galassie ottenute dalla Dark Energy Camera su il telescopio Victor M Blanco di 4 m in Cile. Il loro scopo era stabilire se esiste una correlazione tra le posizioni delle lenti gravitazionali - dedotte dall'allungamento di galassie lontane - e i fotoni dei raggi gamma, come previsto. Come riportano in Lettere di revisione fisica, la risposta è si.

Esaminando i due set di dati per modelli comuni, i ricercatori hanno scoperto che le regioni del cielo che contengono più materia emettono anche più raggi gamma e che, al contrario, ci sono meno raggi gamma provenienti da regioni meno dense. Nello specifico, hanno confermato l'esistenza di tale correlazione alle alte energie e alle piccole scale angolari – inferiori a 0,3°– con significatività statistica maggiore di 5σ, valore che generalmente è considerato indicativo di una scoperta.

Blazar in cornice

Per stabilire cosa potrebbe essere responsabile di tale emissione, il team ha inserito i dati in modelli informatici che simulano il modo in cui vari oggetti celesti generano raggi gamma. In tal modo, hanno concluso che la maggior parte della correlazione è probabilmente dovuta ai blazar, che sono essenzialmente oggetti puntiformi.

Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che probabilmente era necessario un ingrediente in più per spiegare una seconda correlazione, più debole, su scale angolari più grandi. Hanno stabilito al livello 3σ che i loro modelli riproducono i dati osservati, comprese le componenti di energia e spostamento verso il rosso, più fedelmente quando includono la materia oscura tra gli emettitori di raggi gamma rispetto a quando non lo fanno.

"Questo risultato è entusiasmante in quanto segna uno dei pochi indizi sull'esistenza della materia oscura tramite metodi di rilevamento indiretto e apre nuove possibilità per sondare modelli di particelle di materia oscura", secondo Francesca Calore, fisica delle astroparticelle di Annecy-le -Vieux Theoretical Physics Lab in Francia, che ha scritto un commento per accompagnare il documento che descrive la ricerca.

Le lenti gravitazionali creano la "croce di Einstein" di una lontana supernova

Tuttavia, Calore avverte che gli scienziati non comprendono completamente la fisica dei blazar, sostenendo che è ancora possibile che anche la correlazione a grandi scale angolari "provenga interamente" da questi oggetti. Per avere un'idea più precisa del contributo della materia oscura allo sfondo di raggi gamma irrisolto, dice, saranno necessari nuovi dati.

In effetti, la Dark Energy Survey dovrebbe rilasciare un set di dati ingrandito, contenente osservazioni di 100 milioni di galassie, in estate. Oltre a ciò, il Legacy Survey of Space and Time presso l'Osservatorio Vera Rubin in Cile dovrebbe fornire dati su miliardi di galassie su un'area più ampia del cielo dopo l'apertura al mercato nel 2022. Quell'anno dovrebbe anche vedere il lancio dell'European Space Il telescopio Euclid dell'Agenzia, progettato per comprendere meglio l'energia oscura e la materia oscura confrontando la forma e il redshift delle galassie.

"Con una copertura del redshift più profonda e una migliore risoluzione angolare, gli strumenti futuri consentiranno agli scienziati di comprendere meglio le fonti dietro il bagliore dei raggi gamma dell'universo e, potenzialmente, di scoprire la natura della materia oscura", afferma Calore.


Cos'è la lente gravitazionale? (con video)

Programma di osservazione Hubble Frontier Fields, che utilizza il potere di ingrandimento di enormi ammassi di galassie per scrutare in profondità nel lontano Universo. Credito: NASA.

Tutti qui hanno familiarità con le applicazioni pratiche della gravità. Se non solo dall'esposizione a Loony Tunes, con un'abbondanza di scene con un coyote antropomorfizzato che viene scagliato a terra dall'accelerazione gravitazionale, rocce giganti che precipitano in un punto inevitabilmente contrassegnato da una X, precedentemente occupato da un membro degli "accelerati incredibilus" famiglia e presto sarà un grande squish mark contenente i resti corporei del già citato Wile E. Coyote.

Nonostante ne abbia una comprensione molto limitata, la gravità è una forza piuttosto sorprendente, non solo per decimare un coyote che resuscita all'infinito, ma per mantenere i nostri piedi per terra e il nostro pianeta nel punto giusto intorno al nostro sole. La forza dovuta alla gravità ha tutta una serie di trucchi e raggiunge distanze universali. Ma uno dei suoi migliori trucchi è come si comporta come una lente, ingrandendo oggetti distanti per l'astronomia.

Grazie alla teoria della relatività generale, sappiamo che la massa curva lo spazio intorno ad essa. La teoria prevedeva anche la lente gravitazionale, un effetto collaterale della luce che viaggia lungo la curvatura dello spazio e del tempo in cui la luce che passa vicino a un oggetto massiccio viene deviata leggermente verso la massa.

Fu osservato per la prima volta da Arthur Eddington e Frank Watson Dyson nel 1919 durante un'eclissi solare. Le stelle vicine al Sole apparivano leggermente fuori posizione, mostrando che la luce delle stelle era piegata e dimostrava l'effetto previsto. Ciò significa che la luce di un oggetto distante, come un quasar, potrebbe essere deviata attorno a un oggetto più vicino come una galassia. Questo può focalizzare la luce del quasar nella nostra direzione, facendola apparire più luminosa e più grande. Quindi la lente gravitazionale agisce come una sorta di lente d'ingrandimento per oggetti distanti rendendoli più facili da osservare.

Possiamo usare l'effetto per scrutare più in profondità nell'Universo di quanto sarebbe altrimenti possibile con i nostri telescopi convenzionali. In effetti, le galassie più lontane mai osservate, quelle viste solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, sono state tutte scoperte utilizzando la lente gravitazionale. Gli astronomi usano la microlente gravitazionale per rilevare i pianeti intorno ad altre stelle. La stella in primo piano funge da lente per una stella sullo sfondo. Man mano che la stella si illumina, puoi rilevare ulteriori distorsioni che indicano la presenza di pianeti. Anche i telescopi amatoriali sono abbastanza sensibili da individuarli e i dilettanti aiutano regolarmente a scoprire nuovi pianeti. Sfortunatamente, questi sono eventi occasionali poiché questo allineamento avviene solo una volta.

C'è una situazione speciale conosciuta come un anello di Einstein, in cui una galassia più lontana viene deformata da una galassia vicina in un cerchio completo. Ad oggi sono stati visti alcuni anelli parziali, ma nessun anello Einstein perfetto è mai stato individuato.

Le lenti gravitazionali ci permettono anche di osservare cose invisibili nel nostro Universo. La materia oscura non emette né assorbe luce da sola, quindi non possiamo osservarla direttamente. Non possiamo scattare una foto e dire "Ehi, guarda, materia oscura!". Tuttavia, ha una massa, e ciò significa che può lenti gravitazionalmente la luce che si origina dietro di essa. Quindi abbiamo persino usato l'effetto della lente gravitazionale per mappare la materia oscura nell'Universo.

Questa illustrazione mostra come funziona la lente gravitazionale. La gravità di un grande ammasso di galassie è così forte che piega, illumina e distorce la luce delle galassie lontane dietro di esso. La scala è stata molto esagerata in realtà, la galassia lontana è molto più lontana e molto più piccola. Credito: NASA, ESA, L. Calcada

Lente gravitazionale: gli astronomi sfruttano il telescopio di Einstein

Gli scienziati stanno sfruttando il cosmo come "strumento" scientifico nella loro ricerca per determinare la composizione dell'universo.

The University of Chicago&rsquos Evalyn Gates calls the instrument &ldquoEinstein&rsquos telescope.&rdquo The instrument is actually the phenomenon of gravitational lensing, which acts as a sort of natural telescope.*

Although based on Albert Einstein&rsquos general theory of relativity, the effect is easily demonstrated. Look at a light through the bottom of a wine glass, Gates recommends, and see the resulting light distortion.

&ldquoEinstein&rsquos telescope is using the universe itself as a lens through which we can seek out galaxies that would otherwise be too faint to be seen,&rdquo says Gates, Assistant Director of the University&rsquos Kavli Institute for Cosmological Physics.

Einstein&rsquos first inklings

Long ago Einstein recognized the potential existence of gravitational lensing, a consequence of his theory of general relativity. According to general relativity, celestial objects create dimples in space-time that bend the light traveling from behind.

Einstein realized that the gravitational influence of a foreground star could theoretically bend the light of another star sitting almost directly far beyond it, producing two images of the background star.

&ldquoGravitational lensing magnifies things as well as making multiple images and distorting the shape of images, so you can actually use it as a magnifying glass,&rdquo Gates explains.

But, assuming that the effect would be too weak to detect, Einstein immediately dismissed its significance. &ldquoWhat he didn&rsquot anticipate, among other things, were the incredible leaps forward in telescope technology,&rdquo Gates says.

Seeing the invisible

Astronomers now use gravitational lensing to look for dark matter and the imprint of dark energy, two of the greatest modern scientific mysteries.

Dark energy, which acts in opposition to gravity, is the dominant force in the universe.

&ldquoWe can&rsquot see dark energy directly by any means, but we&rsquore looking for how it has sculpted the matter distribution of the universe over the past few billion years, since it&rsquos been the dominant factor, and also how it has affected the rate at which the Universe is expanding&rdquo Gates says.

And gravitational lensing is essentially the only method astronomers have for tracing out the web of dark matter that pervades the Universe, and determining how dark energy has impacted the evolution of this web. &ldquoIt&rsquos really hot scientifically,&rdquo she says.

Like dark energy, dark matter is also invisible. It accounts for most of the matter in the universe, but exactly what it is remains unknown. Scientists only know that dark matter differs significantly from normal matter (which is essentially composed of protons and neutrons) that dominates everyday life.

&ldquoWhat we&rsquore made of is just about five percent of everything that&rsquos in the universe,&rdquo Gates says.

In 1990s scientists wondered if a significant quantity of dark matter in the halo consisted of MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) &ndash faint objects such as dim stars, Jupiter-sized planets or stellar-mass black holes that are all composed of normal matter but hard to see.

Gates and her collaborators were among the researchers who used gravitational lensing to search for MACHOs within the halo of the Milky Way galaxy.

&ldquoWe have seen MACHOs &ndash but what we found is that they make up at most a small fraction of the galactic halo,&rdquo Gates said.

A look into galaxies past

Scientists also use galaxy clusters as gravitational lenses to probe 13 billion years back into the history of the universe. &ldquoThey&rsquore seeing some of the very first galaxies,&rdquo she says.

Gravitational lensing offers astrophysicists a tool comparable to magnetic resonance imaging and computing tomography, which have provided health professionals with unprecedented new views of the human body.

&ldquoGravitational lensing is going to allow us to image the universe in ways that wouldn&rsquot have been possible even 50 years ago,&rdquo she says.

During the 20th century, quantum mechanics and general relativity radically altered scientists&rsquo view of the universe, Gates says. Investigations of dark matter and dark energy may do likewise.

&ldquoIt may lead us to another revolution in our understanding of the most fundamental aspects of the universe, time, matter, and energy.&rdquo

*Gates&rsquos new book, Einstein&rsquos Telescope: The Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe, explains how it works.

Fonte della storia:

Materiali forniti da Università di Chicago. Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.


Title: Phase effects from strong gravitational lensing of gravitational waves

Assessing the probability that two or more gravitational wave (GW) events are lensed images of the same source requires an understanding of the properties of the lensed images. For short enough wavelengths where wave effects can be neglected, lensed images will generically have a fixed relative phase shift that needs to be taken into account in the lensing hypothesis. For non-precessing, circular binaries dominated by quadrupole radiation these lensing phase shifts are degenerate with either a shift in the coalescence phase or a detector and inclination dependent shift in the orientation angle. This degeneracy is broken by the presence of higher harmonic modes with |m| ≠ 2 in the former and |m| ≠ l in the latter. The presence of precession or eccentricity will also break this degeneracy. This implies that a lensed GW image will not necessarily be consistent with (unlensed) predictions from general relativity (GR). Therefore, unlike the conventional scenario of electromagnetic waves, strong lensing of GWs can lead to images with a modified phase evolution that can be observed. However, we find that templates with a shifted orientation angle remain a good approximation, with signal-to-noise ratio differences of less than 1% for mass ratios up to 1/18,more » and less than 5% for precession parameters up to 0.5 and eccentricities up to 0.4. We conclude that an optimal strong lensing search strategy would incorporate phase information in all stages of the identification of strong-lensing, with an exact treatment in the final assessment of the probability of multiple lensed events. Here, this work clarifies the role that strong lensing plays in the phase evolution of GWs: how it can lead to apparent deviations from GR, how it can affect the detectability of GW events, and how it can be exploited to help identify cases of strong gravitational lensing of gravitational wave sources. « meno


Title: PICS: Simulations of Strong Gravitational Lensing in Galaxy Clusters

Gravitational lensing has become one of the most powerful tools available for investigating the “dark side” of the universe. Cosmological strong gravitational lensing, in particular, probes the properties of the dense cores of dark matter halos over decades in mass and offers the opportunity to study the distant universe at flux levels and spatial resolutions otherwise unavailable. Studies of strongly lensed variable sources offer even further scientific opportunities. One of the challenges in realizing the potential of strong lensing is to understand the statistical context of both the individual systems that receive extensive follow-up study, as well as that of the larger samples of strong lenses that are now emerging from survey efforts. Motivated by these challenges, we have developed an image simulation pipeline, Pipeline for Images of Cosmological Strong lensing (PICS), to generate realistic strong gravitational lensing signals from group- and cluster-scale lenses. PICS uses a low-noise and unbiased density estimator based on (resampled) Delaunay Tessellations to calculate the density field lensed images are produced by ray-tracing images of actual galaxies from deep Hubble Space Telescope observations. Other galaxies, similarly sampled, are added to fill in the light cone. The pipeline further adds cluster member galaxies and foreground starsmore » into the lensed images. The entire image ensemble is then observed using a realistic point-spread function that includes appropriate detector artifacts for bright stars. Noise is further added, including such non-Gaussian elements as noise window-paning from mosaiced observations, residual bad pixels, and cosmic rays. Overall, the aim is to produce simulated images that appear identical—to the eye (expert or otherwise)—to real observations in various imaging surveys. « meno


Guarda il video: Lenti gravitazionali Elementi Ep. 3. Il Saggiatore (Luglio 2022).


Commenti:

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