Ljus från avlägsna galaxer avslöjar viktig information om universums natur och gör det möjligt för forskare att utveckla högprecisionsmodeller av historien, kosmos evolution och struktur.

Tyngdkraften förknippad med massiva fickor av mörk materia som ligger mellan jorden och dessa galaxer, dock, spelar förödelse med de galaktiska ljussignalerna. Gravitationen förvränger galaxernas ljus - en process som kallas gravitationslinsning - och justerar även galaxerna något fysiskt, vilket resulterar i ytterligare gravitationslinsljussignaler som förorenar den verkliga datan.

I en studie som först publicerades 5 augusti i The Astrofysiska tidskriftsbrev , Forskare från University of Texas i Dallas demonstrerade den första användningen av en metod som kallas självkalibrering för att ta bort föroreningar från gravitationslinssignaler. Resultaten borde leda till mer exakta kosmologiska modeller av universum, sa Dr Mustapha Ishak-Boushaki, professor i fysik vid Institutionen för naturvetenskap och matematik och motsvarande författare till studien.

"Självkalibreringsmetoden är något andra föreslog för ungefär 10 år sedan; många trodde att det bara var en teoretisk metod och gick bort från den, " Sade Ishak-Boushaki. "Men jag kände intuitivt löftet. Efter åtta år av ihärdig undersökning som mognar själva metoden, och sedan de senaste två åren tillämpar det på data, det bar frukt med viktiga konsekvenser för kosmologiska studier."

En lins på universum

Gravitationslinsning är en av de mest lovande metoderna inom kosmologi för att ge information om parametrarna som ligger till grund för den nuvarande modellen av universum.

"Det kan hjälpa oss att kartlägga distributionen av mörk materia och upptäcka information om universums struktur. Men mätningen av sådana kosmologiska parametrar kan vara avstängd med så mycket som 30 % om vi inte extraherar föroreningen i gravitationslinssignalen, " sa Ishak-Boushaki.

På grund av hur avlägsna galaxer bildas och miljön de bildas i, de är något fysiskt i linje med den mörka materien nära dem. Denna inneboende inriktning genererar ytterligare falska linssignaler, eller en partiskhet, som förorenar data från galaxerna och därmed snedvrider mätningen av viktiga kosmologiska parametrar, inklusive de som beskriver mängden mörk materia och mörk energi i universum och hur snabbt galaxer rör sig bort från varandra.

För att komplicera saken ytterligare, det finns två typer av inre anpassning som kräver olika metoder för begränsning. I deras studie, forskargruppen använde självkalibreringsmetoden för att extrahera störande signaler från en typ av inriktning som kallas intrinsic shape-gravitational shear, som är den mest kritiska komponenten.

"Vårt arbete ökar avsevärt chanserna att lyckas med att mäta egenskaperna hos mörk energi på ett korrekt sätt, som gör att vi kan förstå vad som orsakar kosmisk acceleration, ", sa Ishak-Boushaki. "En annan effekt kommer att vara att noggrant avgöra om Einsteins allmänna relativitetsteori håller på mycket stora skalor i universum. Det här är mycket viktiga frågor."

Inverkan på kosmologi

Flera stora vetenskapliga undersökningar som syftar till att bättre förstå universum är på gång, och de kommer att samla in gravitationslinsdata. Dessa inkluderar Vera C. Rubin Observatorys Legacy Survey of Space and Time (LSST), Europeiska rymdorganisationens Euclid-uppdrag och NASA:s Nancy Grace Roman Space Telescope.

"Den stora vinnaren här kommer att vara dessa kommande undersökningar av gravitationslinser. Vi kommer verkligen att kunna få den fulla potentialen från dem för att förstå vårt universum, sa Ishak-Boushaki, som är medlem och sammankallande av LSST:s Dark Energy Science Collaboration.

Självkalibreringsmetoden för att ta bort kontaminerade signaler föreslogs först av Dr. Pengjie Zhang, en professor i astronomi vid Shanghai Jiao Tong University och en medförfattare till den aktuella studien.

Ishak-Boushaki vidareutvecklade metoden och introducerade den till riket av kosmologiska observationer, tillsammans med en av hans tidigare elever, Michael Troxel MS'11, Ph.D.'14, nu biträdande professor i fysik vid Duke University. Sedan 2012 har forskningen stötts av två anslag till Ishak-Boushaki från National Science Foundation (NSF).

"Alla var inte säkra på att självkalibrering skulle leda till ett så viktigt resultat. Vissa kollegor var uppmuntrande; vissa var skeptiska, " sa Ishak-Boushaki. "Jag har lärt mig att det lönar sig att inte ge upp. Min intuition var att om det gjordes rätt, det skulle fungera, och jag är tacksam mot NSF för att ha sett löftet om detta arbete."