Planck finder ingen nye beviser for kosmiske anomalier

Anisotropierne af den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB, som observeret af ESA's Planck-mission. CMB er et øjebliksbillede af det ældste lys i vores kosmos, præget på himlen, da universet kun var 380.000 år gammelt. Det viser små temperatursvingninger, der svarer til områder med lidt forskellige tætheder, repræsenterer kimen til al fremtidig struktur:stjernerne og galakserne i dag. Den første visning i denne sekvens viser anisotropier i temperaturen af CMB ved den fulde opløsning opnået af Planck. I den anden visning, temperaturanisotropierne er blevet filtreret for at vise det meste af det signal, der detekteres på skalaer omkring 5º på himlen. Den tredje visning viser de filtrerede temperaturanisotropier med en tilføjet indikation af retningen af den polariserede fraktion af CMB. En lille del af CMB er polariseret - den vibrerer i en foretrukken retning. Dette er et resultat af dette lyss sidste møde med elektroner, lige før den starter sin kosmiske rejse. Af denne grund, polariseringen af CMB bevarer information om fordelingen af stof i det tidlige univers, og dets mønster på himlen følger mønsteret af de små udsving, der observeres i temperaturen på CMB. Disse billeder er baseret på data fra Planck Legacy-udgivelsen, missionens endelige dataudgivelse, udgivet i juli 2018. Kredit:ESA/Planck Collaboration

ESA's Planck-satellit har ikke fundet noget nyt bevis for de forvirrende kosmiske anomalier, der dukkede op på dens temperaturkort over universet. Den seneste undersøgelse udelukker ikke den potentielle relevans af anomalierne, men de betyder, at astronomer skal arbejde endnu hårdere for at forstå oprindelsen af disse forvirrende træk.

Plancks seneste resultater kommer fra en analyse af polariseringen af Cosmic Microwave Background (CMB) stråling - det ældste lys i kosmisk historie, udgivet, da universet kun var 380.000 år gammelt.

Satellittens indledende analyse, som blev offentliggjort i 2013, koncentreret om temperaturen af denne stråling hen over himlen. Dette gør det muligt for astronomer at undersøge oprindelsen og udviklingen af kosmos. Selvom det for det meste bekræftede standardbilledet af, hvordan vores univers udvikler sig, Plancks første kort afslørede også en række anomalier, som er svære at forklare inden for standardmodellen for kosmologi.

Anomalierne er svage træk på himlen, der vises i store vinkelskalaer. De er bestemt ikke artefakter produceret af satellittens adfærd eller databehandlingen, men de er svage nok til, at de kunne være statistiske fluktuationer - udsving, som er ekstremt sjældne, men ikke helt udelukket af standardmodellen.

Alternativt anomalierne kan være et tegn på 'ny fysik', det udtryk, der bruges til endnu uerkendte naturlige processer, der ville udvide fysikkens kendte love.

For yderligere at undersøge arten af anomalierne, Planck-holdet så på polariseringen af CMB, som blev afsløret efter en omhyggelig analyse af multifrekvensdata designet til at eliminere forgrundskilder til mikrobølgeemission, inklusive gas og støv i vores egen Mælkevejsgalakse.

Et resumé af universets næsten 14 milliarder år lange historie, viser især de begivenheder, der bidrog til den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB. Tidslinjen i den øverste del af illustrationen viser et kunstnerisk syn på kosmos udvikling i store skalaer. De afbildede processer spænder fra inflation, den korte æra med accelereret ekspansion, som universet gennemgik, da det var en lille brøkdel af en anden gammel, til frigivelsen af CMB, det ældste lys i vores univers, præget på himlen, da kosmos kun var 380 000 år gammel; og fra 'den mørke middelalder' til fødslen af de første stjerner og galakser, som reioniserede universet, da det var et par hundrede millioner år gammelt, helt frem til nutiden. Små kvanteudsving, der er genereret under inflationsepoken, er kimen til fremtidens struktur:nutidens stjerner og galakser. Efter inflationens ophør, mørkt stof partikler begyndte at klumpe sig omkring disse kosmiske frø, langsomt opbygge et kosmisk net af strukturer. Senere, efter udgivelsen af CMB, normalt stof begyndte at falde ind i disse strukturer, til sidst giver anledning til stjerner og galakser. Indlæggene nedenfor viser en zoomet ind på nogle af de mikroskopiske processer, der finder sted under kosmisk historie:fra de små udsving, der genereres under inflation, til den tætte suppe af lys og partikler, der fyldte det tidlige univers; fra den sidste spredning af lys fra elektroner, som gav anledning til CMB og dets polarisering, til genioniseringen af universet, forårsaget af de første stjerner og galakser, hvilket inducerede yderligere polarisering på CMB. Kredit:ESA

Dette signal er den bedste måling til dato af de såkaldte CMB polarisations E-modes, og går tilbage til den tid, hvor de første atomer dannedes i universet og CMB blev frigivet. Det er produceret af den måde, lys spredt af elektronpartikler, lige før elektronerne blev samlet til brintatomer.

Polarisering giver et næsten uafhængigt billede af CMB, så hvis uregelmæssighederne også skulle dukke op der, dette ville øge astronomernes tillid til, at de kunne være forårsaget af ny fysik i stedet for at være statistiske indskud.

Selvom Planck ikke oprindeligt var designet til at fokusere på polarisering, dens observationer er blevet brugt til at skabe de mest nøjagtige all-sky-kort over CMB-polarisationen til dato. Disse blev offentliggjort i 2018, i høj grad forbedre kvaliteten af Plancks første polarisationskort, udgivet i 2015.

Da Planck-teamet så på disse data, de så ingen tydelige tegn på uregelmæssighederne. I bedste fald, analysen, offentliggjort i dag i Astronomi og astrofysik , afslørede nogle svage antydninger om, at nogle af anomalierne kan være til stede.

"Plancks polarisationsmålinger er fantastiske, siger Jan Tauber, ESA Planck-projektforsker.

"Men på trods af de store data, vi har, vi ser ikke nogen væsentlige spor af anomalier."

Kort over den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) polarisationsamplitude som observeret af ESA's Planck-satellit. Mens udsving i CMB er til stede og blev observeret af Planck ned til meget små vinkelskalaer, disse billeder er blevet filtreret for at vise det meste af signalet, der er registreret på ret store skalaer på himlen, omkring 5 grader – til sammenligning, fuldmånen spænder over en halv grad. På disse store skalaer, der observeres en række anomalier i CMB-temperaturen - disse er træk, der er svære at forklare inden for standardmodellen for kosmologi, som bygger på antagelsen om, at universet, i stor skala, har de samme egenskaber, når de observeres i alle retninger. Den mest alvorlige anomali er et underskud i signalet observeret på skalaer omkring 5 grader, hvilket er omkring ti procent svagere end forudsagt. Andre unormale træk er en betydelig uoverensstemmelse i signalet som observeret i de to modsatte halvkugler på himlen (de to halvkugler er skitseret af den store, nogenlunde u-formet kurve i billedet, den nordlige er i centrum) og en såkaldt 'kold plet' – en stor, lavtemperaturplet med en usædvanlig stejl temperaturprofil (placeringen af dette sted er også skitseret nederst til højre). Sådanne anomalier blev ikke opdaget, i hvert fald ikke på noget væsentligt niveau, i Plancks observationer af CMB-polariseringen. En sammenligning mellem det øverste kort, viser den samlede Planck-måling – omfattende både signal og støj – med det nederste kort, viser kun støjen, angiver, at nogle unormale træk kan være til stede, såsom for eksempel en magtasymmetri mellem de to halvkugler, men de er statistisk ikke overbevisende. Manglen på statistisk signifikante anomalier i polarisationskortene udelukker ikke den potentielle relevans af dem, der ses i temperaturen, men gør det endnu mere udfordrende at forstå oprindelsen af disse forvirrende funktioner. Regioner vist i gråt på kortene blev maskeret ud i analysen for at undgå resterende forgrundsemission fra vores Mælkevej eller ekstragalaktiske kilder, der påvirker de kosmologiske resultater. Kredit:ESA/Planck Collaboration

På forsiden af det, dette ser ud til at gøre uregelmæssighederne mere tilbøjelige til at være statistiske indslag, men faktisk udelukker det ikke ny fysik, fordi naturen kan være vanskeligere, end vi forestiller os.

Endnu, der er ingen overbevisende hypotese for, hvilken slags ny fysik der kunne være årsagen til uregelmæssighederne. Så, det kan være, at det ansvarlige fænomen kun påvirker temperaturen på CMB, men ikke polariseringen.

Fra dette synspunkt, mens den nye analyse ikke bekræfter, at ny fysik finder sted, det sætter vigtige begrænsninger på det.

Den mest alvorlige anomali, der dukkede op på CMB-temperaturkortet, er et underskud i signalet observeret ved store vinkelskalaer på himlen, omkring fem grader - til sammenligning, fuldmånen spænder over en halv grad. I disse store skalaer, Plancks målinger er omkring ti procent svagere end standardmodellen for kosmologi ville forudsige.

Planck bekræftede også, med høj statistisk sikkerhed, andre unormale træk, der var blevet antydet i tidligere observationer af CMB-temperaturen, såsom en betydelig uoverensstemmelse i signalet som observeret i de to modsatte halvkugler af himlen, og et såkaldt 'kold sted' – et stort, lavtemperaturplet med en usædvanlig stejl temperaturprofil.

"Vi sagde på tidspunktet for den første udgivelse, at Planck ville teste anomalierne ved hjælp af sine polarisationsdata. Det første sæt polarisationskort, som er rene nok til dette formål, blev udgivet i 2018, nu har vi resultaterne, " siger Krzysztof M. Górski, en af forfatterne til det nye papir, fra Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, OS..

Kort over den kosmiske mikrobølgebaggrundstemperatur (CMB) som observeret af ESA's Planck-satellit. Mens udsving i CMB er til stede og blev observeret af Planck ned til meget små vinkelskalaer, disse billeder er blevet filtreret for at vise det meste af signalet, der er registreret på ret store skalaer på himlen, omkring 5 grader og derover – til sammenligning, fuldmånen spænder over en halv grad. På disse store skalaer, der observeres en række anomalier i CMB-temperaturen - disse er træk, der er svære at forklare inden for standardmodellen for kosmologi, som bygger på antagelsen om, at universet, i stor skala, har de samme egenskaber, når de observeres i alle retninger. Den mest alvorlige anomali er et underskud i signalet observeret på skalaer omkring 5 grader, hvilket er omkring ti procent svagere end forudsagt. Andre unormale træk er en betydelig uoverensstemmelse i signalet som observeret i de to modsatte halvkugler på himlen (de to halvkugler er skitseret af den store, nogenlunde u-formet kurve i billedet, den nordlige er i centrum) og en såkaldt 'kold plet' – en stor, lavtemperaturplet med en usædvanlig stejl temperaturprofil (også skitseret nederst til højre). En sammenligning mellem det øverste kort, viser den samlede Planck-måling – omfattende både signal og støj – med det nederste kort, viser kun støjen, indikerer, at de anomale træk tydeligvis ikke er artefakter, da de faktisk er til stede i signalet og ikke i støjen. Sådanne anomalier blev ikke opdaget, i hvert fald ikke på noget væsentligt niveau, i Plancks observationer af CMB-polariseringen. Manglen på statistisk signifikante anomalier i polarisationskortene udelukker ikke den potentielle relevans af dem, der ses i temperaturen, men gør det endnu mere udfordrende at forstå oprindelsen af disse forvirrende funktioner. Regioner vist i gråt på kortene blev maskeret ud i analysen for at undgå resterende forgrundsemission fra vores Mælkevej eller ekstragalaktiske kilder, der påvirker de kosmologiske resultater. Kredit:ESA/Planck Collaboration

Desværre, de nye data førte ikke debatten videre, da de seneste resultater hverken bekræfter eller afkræfter arten af anomalierne.

"Vi har nogle hints om, at i polarisationskortene, der kunne være en effektasymmetri svarende til den, der observeres i temperaturkortene, selvom det stadig er statistisk ikke overbevisende, " tilføjer Enrique Martínez González, også medforfatter til papiret, fra Instituto de Física de Cantabria i Santander, Spanien.

Mens der vil være yderligere analyse af Planck-resultaterne, det er usandsynligt, at de vil give væsentlige nye resultater om dette emne. Den åbenlyse vej til fremskridt er en dedikeret mission, der er specielt designet og optimeret til at studere CMB-polariseringen, men dette er mindst 10 til 15 år ude i fremtiden.

"Planck har givet os de bedste data, vi vil have i mindst et årti, " siger medforfatter Anthony Banday fra Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse, Frankrig.

I mellemtiden, mysteriet om anomalierne fortsætter.

Sidste artikelFem ting at vide om NASAs Deep Space Atomic Clock

Næste artikelMest detaljerede nogensinde simuleringer af sort hul løser mangeårige mysterier