Fra et næsten perfekt univers til det bedste fra begge verdener

Det var den 21. marts 2013. Verdens videnskabelige presse havde enten samlet sig i ESA's hovedkvarter i Paris eller logget ind online, sammen med et væld af videnskabsmænd over hele kloden, at være vidne til det øjeblik, hvor ESA's Planck-mission afslørede sit 'billede' af kosmos. Dette billede er ikke taget med synligt lys, men med mikrobølger.

Mens lys, som vores øjne kan se, er sammensat af små bølgelængder - mindre end en tusindedel millimeter i længden - spændte den stråling, som Planck detekterede, over længere bølgelængder, fra et par tiendedele millimeter til et par millimeter. Mest vigtigt, det var blevet genereret i begyndelsen af ​​universet.

I fællesskab denne stråling er kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB. Ved at måle dens små forskelle hen over himlen, Plancks billede havde evnen til at fortælle os om alderen, udvidelse, historie, og universets indhold. Det var intet mindre end den kosmiske plan.

Astronomer vidste, hvad de håbede at se. To NASA -missioner, COBE i begyndelsen af ​​1990'erne og WMAP i det følgende årti, havde allerede udført et analogt sæt himmelundersøgelser, der resulterede i lignende billeder. Men de billeder havde ikke den præcision og skarphed som Planck.

Den nye visning ville vise aftrykket af det tidlige univers i omhyggelige detaljer for første gang. Og alt kørte på den.

Hvis vores model af universet var korrekt, så ville Planck bekræfte det til hidtil usete niveauer af nøjagtighed. Hvis vores model var forkert, Planck ville sende videnskabsmænd tilbage til tegnebrættet.

Da billedet blev afsløret, dataene havde bekræftet modellen. Tilpasningen til vores forventninger var for god til at drage nogen anden konklusion:Planck havde vist os et 'næsten perfekt univers'. Hvorfor næsten perfekt? Fordi der var nogle få uregelmæssigheder tilbage, og disse ville være fokus for fremtidig forskning.

Nu, fem år senere, Planck-konsortiet har offentliggjort deres endelige dataudgivelse, kendt som den ældre dataudgivelse. Budskabet forbliver det samme, og er endnu stærkere.

"Dette er den vigtigste arv fra Planck, " siger Jan Tauber, ESA's Planck Project Scientist. "Indtil videre har standardmodellen for kosmologi overlevet alle testene, og Planck har lavet de målinger, der viser det."

Alle kosmologiske modeller er baseret på Albert Einsteins generelle relativitetsteori. For at forene de generelle relativistiske ligninger med en bred vifte af observationer, herunder den kosmiske mikrobølge baggrund, standardmodellen for kosmologi inkluderer virkningen af ​​to ukendte komponenter.

For det første, en attraktiv stofkomponent, kendt som koldt mørkt stof, som i modsætning til almindeligt stof ikke interagerer med lys. For det andet en frastødende form for energi, kendt som mørk energi, som driver den i øjeblikket accelererede udvidelse af universet. De har vist sig at være væsentlige komponenter til at forklare vores kosmos ud over det almindelige stof, vi kender til. Men endnu ved vi ikke, hvad disse eksotiske komponenter egentlig er.

Planck blev lanceret i 2009 og indsamlede data indtil 2013. Dens første udgivelse – som gav anledning til det næsten perfekte univers – blev lavet i foråret samme år. Den var udelukkende baseret på temperaturen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, og brugte kun de to første himmelundersøgelser fra missionen.

Dataene gav også yderligere bevis for en meget tidlig fase af accelereret ekspansion, kaldet inflation, i den første lille brøkdel af et sekund i universets historie, hvorunder frøene til alle kosmiske strukturer blev sået. Giver et kvantitativt mål for den relative fordeling af disse oprindelige udsving, Planck gav den bedste bekræftelse nogensinde på inflationsscenariet.

Udover at kortlægge temperaturen på den kosmiske mikrobølgebaggrund hen over himlen med hidtil uset nøjagtighed, Planck målte også dens polarisering, som angiver, om lyset vibrerer i en foretrukken retning. Polariseringen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund bærer et aftryk af den sidste interaktion mellem strålingen og stofpartiklerne i det tidlige univers, og som sådan indeholder yderligere, altafgørende information om kosmos historie. Men det kunne også indeholde information om de allerførste øjeblikke af vores univers, og giv os ledetråde til at forstå dens fødsel.

I 2015 en anden dataudgivelse foldede alle data indsamlet af missionen sammen, hvilket udgjorde otte himmelundersøgelser. Det gav temperatur og polarisering, men kom med en forsigtighed.

"Vi følte, at kvaliteten af ​​nogle af polarisationsdataene ikke var god nok til at blive brugt til kosmologi, " siger Jan. Han tilføjer, at det – selvfølgelig – ikke forhindrede dem i at lave kosmologi med det, men at nogle konklusioner, der blev draget på det tidspunkt, trængte til yderligere bekræftelse og derfor bør behandles med forsigtighed.

Og det er den store ændring for denne 2018 Legacy-dataudgivelse. Planck-konsortiet har afsluttet en ny behandling af dataene. De fleste af de tidlige tegn, der manede til forsigtighed, er forsvundet. Forskerne er nu sikre på, at både temperatur og polarisering er nøjagtigt bestemt.

"Nu er vi virkelig sikre på, at vi kan hente en kosmologisk model udelukkende baseret på temperatur, udelukkende på polarisering, og baseret på både temperatur og polarisering. Og de matcher alle sammen, " siger Reno Mandolesi, hovedforsker af LFI-instrumentet på Planck ved University of Ferrara, Italien.