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April 30 2015

Archimedes
20:47
Early quantum chromodynamic quark model from the Ripley Scrowle, mid 15th century.


Metaphysische Träume in Gottes Villa Kunterbunt
Drei Anmerkungen zur Utopie einer Weltformel nach der Entdeckung des Higgs-Bosons
by Ulrich Kühne (Neue Zürcher Zeitung, ed. 14. July 2012, p.22)

Wenn das Higgs-Boson das „Gottesteilchen“ ist, dann hat Gott letzte Woche die vielleicht letzte große Chance vertan, das von uns fehlbaren Menschen mehr schlecht als recht zusammengeschusterte Standardmodell der Teilchenphysik zu widerlegen. Dass bei den Physikern „resignierte Erschöpfung“ bemerkbar sei, kommentierte denn auch Stephen Wolfram, der schon 1974 als 15-Jähriger wichtige Beiträge zum Standardmodell veröffentlicht hat, die Stimmung auf der Pressekonferenz im CERN-Forschungszentrum, wo der erfolgreiche Nachweis dieses letzten fehlenden, theoretisch vorhergesagten Bausteins des Universums bekannt gegeben wurde. Wie die meisten großen Theoretiker hätte Wolfram es lieber gesehen, wenn die Experimente in Genf etwas Neues und völlig Unerwartetes gezeigt hätten – etwas, das der Hoffnung neue Nahrung gegeben hätte, dass die Wahrheit über das Universum doch schöner und tiefsinniger ist, als das Standardmodell befürchten lässt.

Das Standardmodell besteht aus einem Sammelsurium von Ordnungsschemata, ziemlich willkürlichen Zahlenwerten und einer sehr komplizierten aber nicht besonders eleganten Mathematik, die den einzigen Vorteil hat, dass sich mit ihr die Phänomenologie der Elementarteilchen, also die von den Messgeräten in einem Teilchenbeschleuniger generierten Zahlenwerte, überraschend genau reproduzieren lässt. Einerseits besitzt das Standardmodell zwar genug Systematik, um ein fehlendes Higgs-Boson sofort als hässliche offene Baustelle zu erkennen, andererseits aber viel zu wenig innerer Logik, um auch die Masse des jetzt gefundenen Higgs-Boson anders als auf empirischen Weg bestimmen zu können. Wenn sich Metaphysiker das Haus der Physik gerne als strenge Pyramide oder als klassizistischen Tempel vorstellen, sieht das Standardmodell eher aus wie die Villa Kunterbunt von hanfrauchenden Hippies –die ja tatsächlich in den sechziger und siebziger Jahren auch maßgeblich an der Entwicklung des Standardmodells beteiligt waren.

Schon in den vergangenen 40 Jahren hat es sich nachträglich immer als Messfehler herausgestellt, wenn jemand glaubte, eine Abweichung vom Standardmodell beobachtet zu haben. Nach der erfolgreichen Entdeckung des Higgs-Bosons ist die Hoffnung, das Standardmodell durch eine komplett andere, mathematisch und philosophisch „schönere“ Teilchenphysik ersetzen zu können, perdu. Aber ist deshalb auch „Der Traum von der Einheit des Universums“, den der Nobelpreisträger Steven Weinberg in seinem gleichnamigen populären Sachbuch von 1993 so eindringlich und anschaulich beschrieben hat, ausgeträumt?

Die Genies unserer Zeit wie Wolfram oder Weinberg können jetzt nur noch hoffen, dass die tiefere philosophische Wahrheit gewissermaßen hinter dem Standardmodell versteckt ist, eine Wahrheit, die, sobald sie entdeckt ist, uns in die Lage versetzen wird, die hässlichen Versatzstücke des Standardmodells aus überzeugenden Ersten Prinzipien abzuleiten – also gewissermaßen auf ein nachträgliches Schönfärben des Standardmodells. Die zahlreichen ambitionierten Versuche zu diesem Zweck, die bisher bekannt geworden sind, haben noch keine überzeugenden (also auch empirisch brauchbaren) Ergebnisse gezeitigt. Aber auch abgesehen vom bisherigen Scheitern muss man das Projekt der Suche nach der „schönen“ Weltformel hinter dem Standardmodell mit drei Anmerkungen kritisieren –einer forschungspolitischen, einer wissenschaftshistorischen und einer wissenschaftstheoretischen  –, bevor sich anschließend vielleicht doch noch ein vage optimistischer Ausblick formulieren lässt, dass trotzdem auch nach der Entdeckung des Higgs-Bosons noch „philosophisch schöne“ Weiterentwicklungen in der Teilchenphysik möglich sind.

[I. Forschungspolitische Anmerkung] Wenn die Hoffnung berechtigt wäre, dass hinter dem Standardmodell eine tiefe philosophische Wahrheit zu entdecken ist, dann haben wir zumindest forschungspolitisch genau das Falsche gemacht, mit gewaltigem finanziellen Aufwand die experimentelle Teilchenphysik voranzutreiben. Weil wir seit letzter Woche die Masse des Higgs-Bosons empirisch kennen (126 GeV), wäre damit jetzt unsere Chance auf den größten Triumph des Geistes in der Menschheitsgeschichte ruiniert. Wenn nämlich nächstes Jahr ein neuer Einstein (oder Parmenides) eine Theorie vorstellt, warum das Higgs-Boson aus apriori-Gründen der Metaphysik genau die Masse von 126 GeV haben muss, dann wird sie vielleicht unberechtigterweise aber trotzdem unvermeidbar den faden Beigeschmack einer bloß post-hoc konstruierten Scheinerklärung haben. Wie viel großartiger wäre es gewesen, erst die Theorie zu haben und sie erst danach empirisch zu bestätigen – und auch viel preiswerter: Für die Kosten des CERN hätte man wohl ein Heer ambitionierter Denker mit neugeschaffenen Philosophieprofessuren ausstatten können,  um so die Fortschritte der Metaphysik (wenn sie denn tatsächlich hinter dem Standardmodell der Entdeckung harren) massiv zu beschleunigen. Aber vielleicht vertrauen theoretische Physiker ihrer Philosophie und ihrem Sinn für theoretische "Schönheit" gar nicht so sehr, wie sie in ihren Sonntagsreden gerne behaupten.

[II. Wissenschaftshistorische Anmerkung]  Die Vorstellung von einer noch zu findenden singulären Weltformel ist auch eigentlich seit Beginn der modernen Naturwissenschaft um 1600 antiquiert. Will man die revolutionäre neuen Ideen von Galileo Galilei auf einen Kerngedanken reduzieren, liegt dieser gerade darin, nicht mehr nach der einen, umfassenden Theorie zu suchen, die die Phänomene wahrheitsgemäß abbildet, sondern nach einem Sammelsurium oder einen  Werkzeugkasten von elementaren Gesetzes-Bausteinen, mit denen sich die Phänomene der Natur durch Zusammensetzung und Überlagerung in zunehmender Genauigkeit rekonstruieren lassen.

Der klassische erste Anwendungsfall war die Flugbahn einer Kanonenkugel: Für die Philosophen zu Galileis Zeit, die sich die Gesetze der Natur nur einfach und schön vorstellen konnten, war klar, dass dafür nur die beiden geometrisch elementaren Möglichkeiten „Kreissegment“ oder „gerade Linie“ in Frage kommt. Dummerweise hat die Natur dieser schönen Philosophie einen krummen Strich durch die Rechnung gemacht und erst Galilei konnte die empirisch korrekte Flugbahn mit einer für die damalige Zeit sehr komplizierten und nicht besonders eleganten Mathematik aus der Überlagerung der Einzelgesetze von Trägheit, Schwerkraft, Auftrieb und Luftreibung rekonstruieren. Diese Einzelgesetze stehen dabei völlig unverbunden nebeneinander und es macht gar keine Sinn, beispielsweise Schwerkraft und Luftreibung auf eine gemeinsame tiefere Wahrheit zu reduzieren, weil man für die erfolgreiche Berechnung von verschiedenen Flugbahnen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen diese beiden kausal wirksamen Faktoren gerade getrennt vorliegend benötigt.

Das Erfolgsgeheimnis der modernen Naturwissenschaft liegt in der Separierung von kausal wirksamen Einzelfaktoren und nicht in der Vereinheitlichung zu einem großen Ganzen. Tatsächlich gab es vereinheitlichte Theorien vor Galilei, in der Naturphilosophie der Antike. Aristoteles hatte die Bewegung von Körpern in einer natürlichen Umgebung, in der es Luftreibung und Schwerkraft gibt, noch mit einer einheitlichen Theorie beschrieben, die halt nur empirisch ziemlich unbrauchbar war.

Historisch gesehen erscheint die scheinbare Hässlichkeit des heutigen Standardmodells ebenso wie ihre empirischen Erfolge wie ein später Triumph von Galileis Wissenschaftsmethode, und im Gegensatz dazu die großen Einheitsgedanken beispielsweise von Carl Friedrich von Weizsäcker, dessen hunderstes Geburtstagsjubiläum gerade gefeiert wurde, wie ein Rückschritt auf vor-Galileische Ideale der antiken Naturphilosophie.

[III. Wissenschaftstheoretische Anmerkung] Der Erfolg von Galileis Methode bedeutet natürlich nicht, dass sie die einzige erfolgreiche Art von Wissenschaft bleiben muss. Insbesondere Albert Einstein hat zeitlebens behauptet, dass es neben den „Konstruktiven Theorien“ nach dem Vorbild von Galilei eine zweite, grundsätzlich verschiedene Art von Theorien gäbe, die er „Prinzipientheorien“ nannte. Sein Paradebeispiel hierfür war die Thermodynamik in der Ausformung durch Josiah Willard Gibbs (1902), die Einstein für nichts anderes hielt als „die systematische Beantwortung der Frage: Wie müssen die Naturgesetze beschaffen sein, damit es unmöglich sei ein perpetuum mobile zu konstruieren?“

Einstein war also überzeugt, dass ein Physiker mit einer elementaren, quasi-philosophischen Einsicht wie „Aus Nichts kommt nichts“ beginnen könne, hieraus einige allgemeingültige Prinzipien formuliert, also zum Beispiel, dass es prinzipiell unmöglich sei, eine Maschine zu konstruieren, die mehr Energie liefert als sie verbraucht,  um dann anschließend nach einigen komplizierten theoretischen Überlegungen bei einer Theorie zu landen, die quantitative Aussagen über empirisch messbare Größen wie Temperatur und Druck macht. Seine eigenen Relativitätstheorien hat Einstein in diesem Sinne als Prinzipientheorien verstanden, die aus dem „Relativitätsprinzip“ und dem „Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“ abgeleitet seien.

Es ist unschwer zu erkennen, dass auch Wolfram, Weinberg oder Weizsäcker an eine Prinzipientheorie denken, wenn sie eine ultimative Theorie hinter dem Standardmodell vermuten, sie ihre Herausforderung also darin sehen, das wahre Prinzip zu suchen, das das Potential besitzt, die verwirrende Phänomenologie des Standardmodells quasi aus einem einzigen Grundgedanken abzuleiten.

Aber auch wenn die Idee von Einstein stammt ist hier Skepsis angebracht:  Die Absicht mit den Prinzipientheorien ähnelt sehr den philosophischen Taschenspielertricks eines Descartes, der aus der einen kleinen Wahrheit „Ich denke, also bin ich“ einen ganzen Kosmos von Schlussfolgerungen herausgezaubert hat. Doch schon ein grober Vergleich des Informationsgehalts zeigt, dass da etwas nicht stimmen kann. Eine empirische Theorie, die etwas taugt, muss reich an Informationsgehalt sein, der in einem einfachen Satz, durch den eine große philosophische Idee formuliert ist, gar nicht enthalten sein kann. Gewissermaßen verdirbt uns gerade das Verbot des Perpetuum mobiles oder die Einsicht „Von Nichts kommt nichts“ die schönsten Träume von einer ultimativen Weltformel.

Hierdurch werden einige naive Vorstellungen, mit einer pyramidenförmigen Hierarchie des Wissens die Welt zu erklären, in enge Schranken verwiesen. Das besondere Interesse an der Elementarteilchenphysik gründet sich ja gerade auf dieser Idee: dass Alles letztendlich aus Elementarteilchen besteht und deshalb die genaue Kenntnis der Gesetze im mikroskopisch Kleinen uns auch die größeren Aggregate der Materie besser verständlich macht - die Atomkerne und Atome, die chemischen Moleküle, die lebenden Organismen, das menschliche Gehirn und zu guter Letzt auch unsere Kultur und Zivilisation.

Tatsächlich verläuft die Begründungsrichtung zwischen zwei Hierarchieebenen in der Regel genau umgekehrt – wie auch im aktuellen Fall: Alles was man mit dem Higgs-Mechanismus erklären kann, zum Beispiel die Massen der Quarks und Leptonen, war vorher schon längst empirisch bekannt, bevor jetzt nachträglich auch das Higgs-Boson gefunden wurde.

Es gibt allerdings seltene Ausnahmen – in der ganzen Wissenschaftsgeschichte vielleicht nur ein Dutzend guter Beispiele –, wo die mathematische oder philosophische Fundierung eines Phänomenbereichs zu neuen und völlig überraschenden Erkenntnissen geführt hat. [James Clerk] Maxwells Herleitung der elektromagnetischen Wellen durch die Vereinigung der Gesetze von Elektrizität und Magnetismus gehört sicherlich dazu. Und [Paul A. M.] Diracs Ableitung der Existenz von Antimaterie als überraschendes Nebenprodukt seines Versuchs, die Schrödingergleichung mit der speziellen Relativitätstheorie mathematisch zu vereinigen. Ohne das philosophische Streben nach Einheit hätten wir heute vielleicht weder Radiowellen noch Antimaterie entdeckt.

Was uns diese besonderen Fälle über Metaphysik und den Traum von der Einheit des Universums sagen können, ist wissenschaftsphilosophisch noch wenig erforscht. Das Kuriose an ihnen ist, dass sie den Eindruck erwecken, dass der Taschenspielertrick manchmal doch funktioniert: wie man durch bloß eine neue Idee einen Kontinent voll vorher unbekannter empirischer Tatsachen gewinnt. Aber der Erfolg unseres angegrauten Standardmodells bei der Vorhersage des Higgs-Bosons macht die Entdeckung eines solchen neuen Kontinents mit einer schönen Universaltheorie nicht gerade wahrscheinlicher. Ulrich Kühne
Archimedes
10:00
T minus 76 days:
Pluto reveales his inner potatoness to New Horizons.
Tags: science
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April 29 2015

Archimedes
18:16
Human-Shaped Species Of Mushroom Discovered In UK
(IFLScience, April 28, 2015)
Tags: untagged
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April 28 2015

Archimedes
22:03
Bauanleitung Aluminiumhut
(by HOAXILLA)
Tags: untagged
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Archimedes
21:43
The Extraction of the Stone of Madness or The Cure of Folly
by Hieronymus Bosch, c. 1494 (Museo del Prado, Madrid).
Tags: arts
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Archimedes
21:16
Still shots from a 1970 film in which Amanda Feilding drills a hole in her head. She does not recommend self-trepanation to others.

Can a Hole in Your Head Get You High?
by John Horgan, Scientific American, April 27, 2015.
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Archimedes
21:14
π by Darren Aronofsky, 1998.
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Archimedes
20:34
A Six-Hour Long-Exposure of the Celestial North Pole
(by Bartosz Wojczyński)
Tags: science
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April 27 2015

Archimedes
20:18

Zu zeigen ist: Alle stumpfen Winkel sind rechte Winkel.
Gegeben: Ein stumpfer Winkel ABC.

1. Konstruiere DC rechtwinklig auf BC längengleich zu AB.
2. Verbinde A mit D.
3. Errichte die Mittelsenkrechte auf AD und BC. Ihr Schnittpunkt ist O.  Zeichne die Strecken AO, BO, DO, CO.
4. Wie man leicht sieht ist AO = DO, BO = CO und Winkel(CBO) = Winkel(BCO).
5. Da alle Seiten gleich lang sind, sind die Dreiecke ABO und DCO kongruent und daher Winkel(ABO) = Winkel(DCO).
6. Da Winkel(CBO) = Winkel(BCO) ist, erhält man durch Subtraktion von gleichen Winkeln: Winkel(ABC) = Winkel(BCD). q.e.d.

David C. Jolly, »Das verlorene Theorem Euklids«, The Best of the Journal of Irreproducible Results, New York 1983; dt.: Georg H. Scherr (Hrg.), Journal der unwiederholbaren Experimente, Frankfurt/M 2. Aufl. 1986, Seite 141.
Tags: science
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Archimedes
20:14

April 26 2015

Archimedes
21:48
Jocelyn Bell Burnell reading a message of unknown pleasures from the Little Green Men 1, November 28, 1967:

Tags: science
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April 22 2015

Archimedes
23:35
Calbuco eruption
(Chile, 22 April 2015)
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Archimedes
23:29
Calbuco eruption
(Chile, 22 April 2015)
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April 16 2015

Archimedes
06:53
Graphic by Ian Worpole, February 1991.

Visualizing Subatomic Particles Over Time: Graphics from the Archive, 1952-2015
by Jen Christiansen, Scientific American, April 15, 2015
Tags: science
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April 15 2015

Archimedes
23:17

The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies in the 10kpc core of Abell 3827

by Richard Massey, Liliya Williams, Renske Smit, et al.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, June 2015, 449(4):3393-3406. doi: 10.1093/mnras/stv467, First published online April 14, 2015, http://mnras.oxfordjournals.org/content/449/4/3393


Galaxy cluster Abell 3827 hosts the stellar remnants of four almost equally bright elliptical galaxies within a core of radius 10kpc. Such corrugation of the stellar distri-bution is very rare, and suggests recent formation by everal simultaneous mergers. We map the distribution of associated dark matter, using new Hubble Space Telescope imaging and VLT/MUSE integral field spectroscopy of a gravitational lens system threaded through the cluster core. Analysis of ground-based imaging previously sug-gested that dark matter associated with one galaxy had become offset by up to 6kpc from its stars – perhaps lagging behind during its long infall because of a drag force created by dark matter self-interactions. Exploiting our new, high-resolution data, we find that each of the central galaxies retains an associated massive halo. At least one of the galaxies is offset from its dark matter. The best-constrained position is 1.62 +0.50/−0.47 kpc from the stars, where the 68% confidence limit includes both statistical error and systematic biases in mass modelling. With such a small physical offset, it is difficult to definitively rule out astrophysical effects operating (exclusively) in dense cluster core environments – but if interpreted solely as evidence for self-interacting dark matter, this offset implies a cross-section σDM/m ~ (1.7 ± 0.7)×10−4 cm2/g.
Tags: science
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Archimedes
08:08

National hiring experiments reveal 2:1 faculty preference for women on STEM tenure track

by Wendy M. Williams and Stephen J. Ceci
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, DOI10.1073/pnas.1418878112, April 13, 2015.
http://www.pnas.org/content/early/2015/04/08/1418878112.abstract


Significance
The underrepresentation of women in academic science is typically attributed, both in scientific literature and in the media, to sexist hiring. Here we report five hiring experiments in which faculty evaluated hypothetical female and male applicants, using systematically varied profiles disguising identical scholarship, for assistant professorships in biology, engineering, economics, and psychology. Contrary to prevailing assumptions, men and women faculty members from all four fields preferred female applicants 2:1 over identically qualified males with matching lifestyles (single, married, divorced), with the exception of male economists, who showed no gender preference. Comparing different lifestyles revealed that women preferred divorced mothers to married fathers and that men preferred mothers who took parental leaves to mothers who did not. Our findings, supported by real-world academic hiring data, suggest advantages for women launching academic science careers.

Abstract
National randomized experiments and validation studies were conducted on 873 tenure-track faculty (439 male, 434 female) from biology, engineering, economics, and psychology at 371 universities/colleges from 50 US states and the District of Columbia. In the main experiment, 363 faculty members evaluated narrative summaries describing hypothetical female and male applicants for tenure-track assistant professorships who shared the same lifestyle (e.g., single without children, married with children). Applicants' profiles were systematically varied to disguise identically rated scholarship; profiles were counterbalanced by gender across faculty to enable between-faculty comparisons of hiring preferences for identically qualified women versus men. Results revealed a 2:1 preference for women by faculty of both genders across both math-intensive and non–math-intensive fields, with the single exception of male economists, who showed no gender preference. Results were replicated using weighted analyses to control for national sample characteristics. In follow-up experiments, 144 faculty evaluated competing applicants with differing lifestyles (e.g., divorced mother vs. married father), and 204 faculty compared same-gender candidates with children, but differing in whether they took 1-y-parental leaves in graduate school. Women preferred divorced mothers to married fathers; men preferred mothers who took leaves to mothers who did not. In two validation studies, 35 engineering faculty provided rankings using full curricula vitae instead of narratives, and 127 faculty rated one applicant rather than choosing from a mixed-gender group; the same preference for women was shown by faculty of both genders. These results suggest it is a propitious time for women launching careers in academic science. Messages to the contrary may discourage women from applying for STEM (science, technology, engineering, mathematics) tenure-track assistant professorships.
Tags: science
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April 14 2015

Archimedes
14:33
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Archimedes
08:37
Those are pearls that were his eyes:
Nothing of him that doth fade
But doth suffer a sea-change
Into something rich and strange.


The Neanderthal in the karst: First dating, morphometric, and paleogenetic data on the fossil skeleton from Altamura (Italy)
by Martina Laria, Fabio Di Vincenzob, Andrea Borsatoc, et al.
Journal of Human Evolution, 21 March 2015
doi:10.1016/j.jhevol.2015.02.007


In 1993, a fossil hominin skeleton was discovered in the karst caves of Lamalunga, near Altamura, in southern Italy. Despite the fact that this specimen represents one of the most extraordinary hominin specimens ever found in Europe, for the last two decades our knowledge of it has been based purely on the documented on-site observations. Recently, the retrieval from the cave of a fragment of bone (part of the right scapula) allowed the first dating of the individual, the quantitative analysis of a diagnostic morphological feature, and a preliminary paleogenetic characterization of this hominin skeleton from Altamura. Overall, the results concur in indicating that it belongs to the hypodigm of Homo neanderthalensis, with some phenetic peculiarities that appear consistent with a chronology ranging from 172 ± 15 ka to 130.1 ± 1.9 ka. Thus, the skeleton from Altamura represents the most ancient Neanderthal from which endogenous DNA has ever been extracted.
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Archimedes
08:18
4791 632f 500

Wide-Field Lensing Mass Maps from DES Science Verification Data
by V. Vikram, C. Chang, B. Jain, et al.
http://arxiv.org/abs/1504.03002, 12 Apr 2015


Weak gravitational lensing allows one to reconstruct the spatial distribution of the projected mass density across the sky. These "mass maps" provide a powerful tool for studying cosmology as they probe both luminous and dark matter. In this paper, we present a weak lensing mass map reconstructed from shear measurements in a 139 deg2 area from the Dark Energy Survey (DES) Science Verification (SV) data overlapping with the South Pole Telescope survey. We compare the distribution of mass with that of the foreground distribution of galaxies and clusters. The overdensities in the reconstructed map correlate well with the distribution of optically detected clusters. Cross-correlating the mass map with the foreground galaxies from the same DES SV data gives results consistent with mock catalogs that include the primary sources of statistical uncertainties in the galaxy, lensing, and photo-z catalogs. The statistical significance of the cross-correlation is at the 6.8 sigma level with 20 arcminute smoothing. A major goal of this study is to investigate systematic effects arising from a variety of sources, including PSF and photo-z uncertainties. We make maps derived from twenty variables that may characterize systematics and find the principal components. We find that the contribution of systematics to the lensing mass maps is generally within measurement uncertainties. We test and validate our results with mock catalogs from N-body simulations. In this work, we analyze less than 3% of the final area that will be mapped by the DES; the tools and analysis techniques developed in this paper can be applied to forthcoming larger datasets from the survey.
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Archimedes
07:48
(RS Puppis)

What if dark energy isn’t real?
If our “standard candles” aren’t so standard, is dark energy still real?
by Ethan Siegel (Apr 11, 2015)

“Some say the world will end in fire,
Some say in ice.
From what I’ve tasted of desire
I hold with those who favor fire.
But if it had to perish twice,
I think I know enough of hate
To say that for destruction ice
Is also great
And would suffice.”
-Robert Frost
Tags: science
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