Observationer kaster nyt lys på kosmisk mikrobølgebaggrund

Observationer fra Arecibo Observatoriet af galaktisk neutral brintstruktur bekræfter opdagelsen af ​​et uventet bidrag til målingerne af den kosmiske mikrobølgebaggrund observeret af rumfartøjerne WMAP og Planck. En nøjagtig forståelse af forgrundens (galaktiske) strålingskilder observeret af disse to rumfartøjer er afgørende for at udtrække information om den lille skala struktur i den kosmiske mikrobølgebaggrund, der menes at være indikativ for begivenheder i det tidlige univers.

Den nye strålingskilde i intervallet 22 til 100 GHz observeret af WMAP og Planck ser ud til at være emission fra kolde elektroner (kendt som fri-fri emission). Mens kosmologer har korrigeret for denne type stråling fra varme elektroner forbundet med galaktiske tåger, hvor kildetemperaturerne er tusindvis af grader, den nye model kræver elektrontemperaturer mere som et par 100 K.

Spektret af småskalaegenskaber observeret af WMAP og Planck i dette frekvensområde er meget næsten fladt - et fund i overensstemmelse med kilderne, der er forbundet med Big Bang. Ved første øjekast ser det ud til, at det spektrum, der forventes fra emissionen fra kolde galaktiske elektroner, som eksisterer i det interstellare rum, ville være alt for stejl til at passe til dataene. Imidlertid, hvis emissionskilderne har en lille vinkelstørrelse sammenlignet med den strålebredde, der anvendes i WMAP- og Planck-rumfartøjerne, de signaler, de optager, ville blive fortyndet. Strålebredderne øges med lavere frekvens, og nettoresultatet af denne "strålefortynding" er at producere et tilsyneladende fladt spektrum i området 22 til 100 GHz.

"Det var strålefortyndingen, der var nøgleindsigten, " bemærkede Dr. Gerrit Verschuur, astronom emeritus ved Arecibo Observatory og hovedforfatter på papiret. "Emission fra en uløst kilde kunne efterligne det flade spektrum observeret af WMAP og Planck."

Modellen, der påkalder emissionen fra kolde elektroner, giver ikke kun det observerede flade spektrum, der normalt tilskrives kosmiske kilder, men forudsiger også værdier for vinkelskalaen og temperaturen for de emitterende volumener. Disse forudsigelser kan derefter sammenlignes med observationer af galaktisk struktur afsløret i undersøgelsen Galactic Arecibo L-Band Feed Array (GALFA) HI.

"Det interstellare medium er meget mere overraskende og vigtigt, end vi har givet det æren for, " bemærkede Dr. Joshua Peek, en astronom ved Space Telescope Science Institute og en medforsker på GALFA-HI-undersøgelsen. "Arecibo, med sin kombination af stort område og høj opløsning, forbliver et spektakulært og banebrydende værktøj til at sammenligne ISM-kort med kosmologiske datasæt."

Vinkelskalaerne for de mindste træk observeret i neutrale brintkort lavet ved Arecibo og temperaturen på den tilsyneladende associerede gas matcher begge modelberegningerne ekstremt godt. Indtil videre er kun tre velundersøgte områder blevet analyseret så detaljeret, men mere arbejde er ved at blive planlagt.

"Det var overensstemmelsen mellem modelforudsigelserne og GALFA-HI-observationerne, der overbeviste mig om, at vi måske er inde i noget, " bemærkede Dr. Joan Schmelz, Direktør, Universities Space Research Association (USRA) ved Arecibo Observatory og en medforfatter på papiret. "Vi håber, at disse resultater hjælper os med at forstå den sande kosmologiske natur af Planck- og WMAP-data."

Dataene tyder på, at strukturen og fysikken af ​​diffust interstellart stof, især kold brintgas og tilhørende elektroner, kan være mere kompleks end hidtil antaget. Sådanne kompleksiteter skal tages i betragtning for at producere bedre forgrundsmasker til anvendelse på højfrekvente kontinuumobservationer af Planck og WMAP i jagten på et kosmologisk signifikant signal.

USRA's Dr. Joan Schmelz vil præsentere disse resultater den 4. januar, 2017, ved en pressekonference ved American Astronomical Societys (AAS) møde i Grapevine, Texas.