Вывод на уровне поля: раскрытие полного потенциала карт галактик для исследования новой физики

Рис. 1. Сводная статистика, такая как двух- и трехточечные корреляционные функции, сжимает поле галактик в пространственные корреляции между парами и тройками галактик (левая панель). Статистика на уровне поля обходит этап сжатия, чтобы получить доступ ко всей информации в поле галактик. Автор: MPA

Галактики — это не острова в космосе. В то время как глобально Вселенная расширяется, движимая таинственной «темной энергией», локально галактики объединяются посредством гравитационных взаимодействий, образуя космическую паутину, удерживаемую вместе гравитацией темной материи. Для космологов галактики — это тестовые частицы для изучения гравитации, темной материи и темной энергии.

Впервые исследователи и выпускники MPA использовали новый метод, который полностью использует всю информацию в картах галактик, и применили его к смоделированным, но реалистичным наборам данных. Их исследование показывает, что этот новый метод обеспечит гораздо более строгую проверку космологической стандартной модели и имеет потенциал пролить новый свет на гравитацию и темную вселенную.

Из крошечных флуктуаций в изначальной Вселенной возникла огромная космическая паутина: галактики и скопления галактик формируются на вершинах (сверх)плотных регионов, соединенных космическими нитями с пустыми пустотами между ними. Сегодня миллионы галактик располагаются поперек космической паутины. Крупные обзоры галактик картируют эти галактики, чтобы проследить базовое пространственное распределение материи и отследить их рост или временную эволюцию.

Наблюдение и анализ миллионов галактик оказывается сложной задачей. Поэтому стандартные анализы сначала сжимают трехмерное распределение галактик в измерения пространственной корреляции между парами и тройками галактик, технически известные как двух- и трехточечные корреляционные функции (см. рис. 1).

Однако эта ограниченная статистика потенциально оставляет много информации на картах галактик, особенно информации, закодированной в меньших пространственных масштабах. Кроме того, они не говорят нам, где на картах искать дальше, если в этой статистике появится какой-то неожиданный результат. Сколько еще информации можно извлечь?

Недавнее исследование, опубликованное в Physical Review Letters исследователями и выпускниками MPA под руководством доктора Минь Нгуена, предоставляет убедительные доказательства наличия важной информации, выходящей за рамки двух- и трехточечных функций.

Для исследования команда разработала и проверила строгую вероятностную структуру LEFTfield для моделирования кластеризации галактик. То, как структура LEFTfield использует эффективную теорию поля крупномасштабной структуры (EFTofLSS) для получения надежных и точных прогнозов наблюдаемого поля галактик с высокой эффективностью, стало темой другого исследования MPA.

LEFTfield forward – моделирует эволюцию первичных флуктуаций в крупномасштабную структуру и кластеризацию галактик, сохраняя всю информацию в трехмерном распределении галактик. Кроме того, LEFTfield forward модель является дифференцируемой, что позволяет делать вывод на уровне поля (FLI) как параметров в космологической модели, так и первичных флуктуаций, из которых возникла вся структура во Вселенной.

В исследовании команда провела сравнение яблок с яблоками между FLI и стандартным выводом из двух точек плюс трех точек («2+3-точка»). Оба конвейера вывода используют одну и ту же модель LEFTfield forward и используют наблюдаемые карты в строго одинаковых масштабах, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Сравнение между FLI и 2+3-точечным выводом использует одну и ту же прямую модель, LEFTfield, для обеих схем вывода. Ключевое отличие в том, что FLI анализирует все поле галактик, тогда как 2+3-точечный вывод анализирует только 2+3-точечные сводки (того же) поля галактик. Автор: MPA

Анализируя те же каталоги гало темной материи из того же набора симуляций N-тел, группа обнаружила, что FLI улучшает ограничения на амплитуду роста структуры в 3–5 раз, даже при консервативных сокращениях масштаба в обоих анализах.

Улучшение подразумевает, что даже без агрессивного перехода к очень малым масштабам — где, как мы ожидаем, EFTofLSS или даже моделирование N-тел не дадут результата — гораздо больше информации все равно можно извлечь из кластеризации галактик, просто открыв еще одно измерение: избавившись от сжатия входных данных.

На рисунке 3 сравниваются ограничения амплитуды роста структуры из анализов FLI и "2+3-точки". Параметр σ ₈ количественно определяет типичную амплитуду структуры в исходном ("линейном") поле плотности в определенном масштабе.

Рис. 3: Ограничения на амплитуду роста структуры σ₈ улучшаются до 5 раз при анализе всего поля галактики по сравнению только с 2- и 3-точечными корреляционными функциями. Автор: MPA

По сути, ограничения кластеризации галактик на σ ₈ исследуют рост структуры от ранней Вселенной (где у нас есть точные измерения благодаря космическому микроволновому фону) до поздних времен. По этой причине это параметр, который обычно модифицируется в нестандартных космологических моделях, например, если гравитация неправильно описывается общей теорией относительности или если темная материя не холодная.

Улучшение ограничений параметров в 5 раз фактически «увеличивает» объем обзора более чем на порядок, что является огромным улучшением, учитывая трудоемкий и дорогостоящий процесс картирования распределения галактик в большом объеме. Более того, FLI в принципе гарантирует оптимальное извлечение космологической информации: нет сжатия данных, а значит, и потери информации.

Хотя в этом исследовании в моделировании использовались гало темной материи, выводы также справедливы для значительно более реалистичных моделируемых галактик, которые были предметом параллельного исследования, проведенного в рамках проекта Beyond-2pt Collaboration, в который входят два исследователя из команды MPA; подход FLI, основанный на структуре LEFTfield, снова возвращает беспристрастное и улучшенное ограничение на рост структуры.

Помимо улучшенных ограничений параметров, FLI также предлагает многочисленные способы выяснить, откуда могут появиться доказательства физики за пределами стандартной модели космологии, если такие доказательства появятся.

Поскольку у нас есть образцы вселенных, которые совместимы с данными, мы можем искать те регионы, которые сильнее всего отклоняются от стандартной модели, и исследовать, что в них необычного. Мы также можем использовать независимые наборы данных, например, сопоставляя выведенную плотность материи с картами гравитационного линзирования, которые являются совершенно другим зондом структуры.

Теперь команда сосредоточилась на применении нового подхода FLI и фреймворка LEFTfield к реальным данным из обзоров галактик. Чтобы связать FLI с наблюдениями, потребуется лучшее понимание, а значит, и больше исследований того, как наблюдательная систематика влияет на прогнозы модели на уровне поля. Гибкая, но эффективная фреймворк прямого моделирования, такой как LEFTfield, станет ключом для таких исследований и для раскрытия полного потенциала FLI из карт галактик.

Больше информации: Nhat-Minh Nguyen et al, How Much Information Can Be Extracted from Galaxy Clustering at the Field Level?, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221006. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.03220

Источник: Max Planck Institute for Astrophysics