Cross-Bispectrum Constraints from HI Intensity Mapping and Galaxy Surveys

Om de geschiedenis van het universum te begrijpen, behandelen astronomen het kosmos vaak als een enorme, driedimensionale kaart. Ze zoeken naar patronen in de verdeling van materie, op zoek naar de zwakke echo's van geluidsgolven die door het vroege universum rimpelden, bekend als baryonische akoestische oscillaties. Deze patronen fungeren als een kosmische liniaal, waardoor wetenschappers kunnen meten hoe het universum in de loop van de tijd is uitgebreid. Twee primaire methoden worden gebruikt om deze kaart te tekenen. De ene methode houdt zich bezig met het tellen van zichtbare sterrenstelsels, die fungeren als heldere bakens die het onderliggende web van onzichtbare donkere materie traceren. De andere methode luistert naar het zwakke radiogezang van neutraal waterstofgas, het meest voorkomende element in het universum, dat de ruimte tussen de sterrenstelsels vult. Hoewel sterrenstelsels gemakkelijk te zien zijn, is het waterstofgas moeilijk direct te detecteren omdat het signaal ongelooflijk zwak is en gemakkelijk wordt overstemd door veel helderder radio-achtergrondruis van ons eigen sterrenstelsel en andere bronnen.

Een team onderzoekers heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze twee methoden te combineren om een duidelijker beeld te creëren van de expansie van het universum en de groei van de structuren ervan. Door te kijken naar de relatie tussen de verdeling van neutraal waterstof en de verdeling van sterrenstelsels, vonden zij een manier om informatie te herstellen die voorheen verloren was gegaan. Bij standaard waarnemingen dwingt de heldere radio-achtergrondruis wetenschappers om de meest verre, grootschalige patronen van het waterstofgas te negeren, wat de kaart effectief vervaagt. Deze nieuwe aanpak gebruikt een statistische techniek om de kleinschalige waterstofpatronen te koppelen aan de grootschalige patronen van sterrenstelsels, waardoor het team in staat is de ontbrekende informatie te reconstrueren. Hun werk suggereert dat door gegevens van een toekomstige radiotelescoop in Zuid-Afrika te combineren met een massale optische survey van de hemel, wetenschappers de expansiesnelheid van het universum en de hoeveelheid materie die het bevat, met ongekende precisie kunnen meten.

De onderzoekers richtten zich op twee specifieke instrumenten: de Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment, of HIRAX, een radiotelescoop die momenteel wordt gebouwd in de Karoo-woestijn van Zuid-Afrika, en de Vera C. Rubin Observatory, die binnenkort een diepe survey van de zuidelijke hemel zal uitvoeren. HIRAX is ontworpen om de verdeling van neutraal waterstofgas over een enorm volume van de ruimte in kaart te brengen, terwijl het Rubin Observatory de vormen en posities van miljarden sterrenstelsels zal meten. De uitdaging ligt in het feit dat het waterstofsignaal zo zwak is dat de heldere radio-voorgronden weggefilterd moeten worden. Dit filterproces verwijdert echter per ongeluk juist de zeer grootschalige patronen van het waterstofgas die cruciaal zijn voor het begrijpen van de expansie van het universum. Wanneer de onderzoekers probeerden de waterstofkaart simpelweg te vergelijken met de kaart van de sterrenstelsels, merkten zij dat het signaal verdween omdat de grootschalige waterstofpatronen weg waren.

Om dit op te lossen, ontwikkelde het team een methode om naar een ander soort relatie te kijken, één die twee kleinschalige waterstofpatronen verbindt met één grootschalig sterrenstelselpatroon. Zij redeneerden dat de grootschalige verdeling van sterrenstelsels fungeert als een achtergrondpodium dat invloed heeft op hoe het waterstofgas op kleinere schalen samenklontert. Zelfs als het grootschalige waterstofsignaal zelf verloren gaat door ruis, blijft de invloed ervan op de kleinere patronen detecteerbaar via deze verbinding. Door deze specifieke driewegrelatie, bekend als een cross-bispectrum, te meten, toonden de onderzoekers aan dat zij de verloren gegane informatie konden herstellen. Hun berekeningen geven aan dat deze methode werkt, zelfs nadat de heldere radio-achtergrondruis is verwijderd, waardoor ze effectief de grootschalige structuur van het universum kunnen zien die voorheen verborgen bleef.

De resultaten van deze studie zijn veelbelovend voor ons begrip van de samenstelling en de toekomst van het universum. De onderzoekers ontdekten dat het combineren van deze nieuwe metingen met standaardgegevens de onzekerheid bij het meten van de groei van kosmische structuren met een aanzienlijke marge kan verminderen. Specifiek schatten zij dat de onzekerheid in het meten van de groeisnelheid van het universum kan worden teruggebracht tot minder dan één procent, en de onzekerheid in de hoeveelheid materie in het universum tot minder dan één tiende van een procent. Deze verbeteringen zijn substantieel vergeleken met huidige metingen, die vaak onzekerheden van enkele procenten hebben. De studie toonde ook aan dat deze methode kan helpen om de aard van donkere energie te verduidelijken, de mysterieuze kracht die de versnelde expansie van het universum aandrijft. Door te meten hoe de expansiesnelheid in de loop van de tijd is veranderd, stelde het team vast dat zij de eigenschappen van donkere energie met een precisie kunnen vastleggen die veel groter is dan wat momenteel mogelijk is met andere methoden.

Buiten het brede kosmologische beeld biedt de studie ook een manier om de relatie tussen het onzichtbare gas en de zichtbare sterren te begrijpen. De onderzoekers ontdekten dat zij de mate kunnen meten waarin het neutrale waterstofgas de verdeling van sterrenstelsels volgt, een relatie die momenteel slecht begrepen wordt. Zij stelden een model voor waarbij deze verbinding licht verandert afhankelijk van de schaal van de observatie, en hun methode stelt hen in staat om dit idee te testen. Door de onzekerheden in hoe sterrenstelsels en gas samenklonteren te verdelen, biedt de studie een duidelijker pad naar het begrijpen van de vorming en evolutie van sterrenstelsels binnen het kosmische web. Het vermogen om deze relaties met een dergelijke hoge precisie te meten, betekent dat toekomstige surveys niet alleen het universum nauwkeuriger in kaart zullen brengen, maar ook de subtiele fysica zullen onthullen die de vorming van de structuren die we vandaag zien, aanstuurt.

De onderzoekers benadrukten dat hun bevindingen gebaseerd zijn op gedetailleerde prognoses van wat toekomstige instrumenten zullen kunnen bereiken, uitgaande van het scenario dat de telescopen presteren zoals verwacht en dat systematische fouten beheersbaar zijn. Zij merkten op dat hoewel de methode robuust is tegen het verlies van grootschalige signalen, deze rust op het vermogen om gegevens van verschillende soorten surveys effectief te combineren. De studie beweert niet alle mysteries van het universum te hebben opgelost, maar biedt een krachtig nieuw instrument om dat wel te doen. Door een beperking — het verlies van grootschalige signalen — om te buigen naar een kans om een ander soort correlatie te meten, heeft het team een nieuwe weg geopend voor het verkennen van de kosmos. Hun werk suggereert dat de volgende generatie telescopen in staat zal zijn om vragen over de expansie en samenstelling van het universum te beantwoorden die decennialang buiten bereik bleven, waardoor we dichter bij een volledig begrip van de kosmische geschiedenis komen.