Data fra antipodale steder:Første brug af CMB-polarisering til at detektere gravitationslinser fra galaksehobe

Galakser. Sammenlægninger af stjerner, interstellar gas, støv, stjerneaffald og mørkt stof. De valser gennem det kolde univers, tyngdekraften nærer deres omfavnelse. Lejlighedsvis, galakser snebolder ind i enorme galaksehobe med masser i gennemsnit 100 billioner gange vores sols.

Men dette var ikke altid tilfældet.

I spædbarnets univers, temperaturerne var så høje, at elektroner og protoner var for varme til at danne atomer. Alt var varmt, ioniseret gas, ikke ulig solens overflade.

I løbet af de næste 400, 000 år, universet udvidede sig og afkølede til omkring 3, 000 grader Celsius, om temperaturen i en industriovn. Ved disse temperaturer, elektroner og protoner kombineret til brintatomer og frigivet fotoner i processen. Dette lys, kaldet den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, har rejst gennem rummet lige siden, et vandmærke af rum og tid.

Nu, videnskabsmænd har fundet nye måder at drille information ud af denne uudtømmelige tidsmaskine.

Begrænsning af kosmologi med CMB-polarisering

I en undersøgelse offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , Fermilab og University of Chicago videnskabsmand Brad Benson og kolleger bruger polariseringen, eller orientering, af den kosmiske mikrobølgebaggrund til at beregne masserne af enorme galaksehobe ved hjælp af en ny matematisk estimator. Dette er første gang, at forskere har målt disse masser ved hjælp af polariseringen af ​​CMB og den nye estimeringsmetode.

"Det er vigtigt at lave dette skøn, fordi det meste af massen af ​​galaksehobe ikke engang er synligt - det er mørkt stof, som ikke udsender lys, men interagerer gennem tyngdekraften og udgør omkring 85% af stoffet i vores univers, " sagde Benson.

Forskernes arbejde kan i sidste ende kaste lys over mørkt stof, mørk energi og kosmologiske parametre, der afslører mere om strukturdannelse i universet.

Destination:Antarktis

Ved Amundsen-Scott South Pole Station, støttepersonale og videnskabsmænd, kaldet "bæger, " arbejde døgnet rundt for at styre South Pole Telescope. Det er ikke let arbejde. Amundsen-Scott South Pole Station ligger på det sydligste sted på Jorden, hvor gennemsnitstemperaturen er minus 47 grader celsius og solen står op og går ned kun én gang om året. Men Sydpolteleskopet, et 10 meter teleskop ladet med at observere den kosmiske mikrobølgebaggrund, kendt som CMB, er mere end i stand til at nå sine videnskabelige mål i dette barske miljø.

Kameraet på South Pole Telescope måler minimale udsving i polariseringen af ​​CMB-lys hen over den sydlige himmel i størrelsesordenen 1 del ud af 100 millioner i gennemsnit, mere følsom end noget andet eksperiment til dato.

"Disse små variationer kan blive påvirket af store objekter såsom galaksehobe, som fungerer som linser, der skaber markante forvrængninger i vores signal, " sagde Benson.

Det signal, Benson og andre forskere ledte efter, var en krusning i lille skala omkring galaksehobe - en effekt kaldet gravitationslinser. Du kan selv se en lignende effekt ved at se gennem bunden af ​​et klart vinglas, bag hvilket et lys tændes.

"Hvis du ser gennem bunden af ​​en vinglasbund på en flamme, du kan se en ring af lys. Det er ligesom den effekt, vi ville se fra en stærk gravitationslinse, " sagde Benson. "Vi ser en lignende effekt her, bortset fra, at forvrængningen er meget svagere, og CMB-lyset er spredt ud over et meget større område på himlen."

Der var et problem, imidlertid. Forskere vurderede, at de ville være nødt til at se på omkring 17, 000 galaksehobe til at måle gravitationslinseeffekten fra CMB og estimere galaksehobemasser med enhver sikkerhed, selv ved at bruge deres nye matematiske estimator. Mens South Pole Telescope leverede dybere og mere følsomme målinger af CMB's polarisering end nogensinde før, dets bibliotek af galakseplaceringer indeholdt kun omkring 1, 000 galaksehobe.

Destination:Chile

For at identificere flere galaksehobeplaceringer, hvorfra man kan undersøge gravitationslinserne af CMB-lys omkring galaksehobe, forskerne havde brug for at rejse omkring 6, 000 kilometer nord for Sydpolen til Atacama-regionen i Chile, hjemsted for Cerro Tololo Inter-American Observatory.

The Dark Energy Camera, monteret 2, 200 meter over havets overflade på det 4 meter lange Blanco-teleskop ved Cerro Tololo, er et af de største digitale kameraer i verden. Dens 520 megapixel ser lys fra objekter, der stammer fra milliarder af lysår væk, og fanger dem i hidtil uset kvalitet. Mest vigtigt, kameraet fanger lyset og placeringen af ​​de 17, 000 galaksehobe videnskabsmænd havde brug for at observere gravitationslinser af CMB-lys af galaksehobe.

Forskerne identificerede placeringerne af disse klynger ved hjælp af tre års data fra den Fermilab-ledede Dark Energy Survey og satte derefter disse steder ind i et computerprogram, der søgte efter beviser for gravitationslinser fra klyngerne i polariseringen af ​​CMB. Når beviser blev fundet, de kunne selv beregne massen af ​​galaksehobene ved hjælp af deres nye matematiske estimator.

Destination:Uspolerede steder

I den aktuelle undersøgelse, forskerne fandt, at den gennemsnitlige masse af galaksehobene var omkring 100 billioner gange vores sols masse, et skøn, der stemmer overens med andre metoder. En væsentlig del af denne masse er i form af mørkt stof.

For at undersøge dybere, forskerne planlægger at udføre lignende eksperimenter med et opgraderet South Pole Telescope-kamera, SPT-3G, installeret i 2017, og et næste generations CMB-eksperiment, CMB-S4, som vil tilbyde yderligere forbedringer i følsomhed og flere galaksehobe at undersøge.

CMB-S4 vil bestå af dedikerede teleskoper udstyret med meget følsomme superledende kameraer, der opererer på Sydpolen, det chilenske Atacama-plateau og muligvis steder på den nordlige halvkugle, giver forskere mulighed for at begrænse inflationsparametrene, mørk energi og antallet og masserne af neutrinoer, og endda teste generel relativitet i store skalaer.

Anthony Bourdain, en begavet historiefortæller og madskribent, kaldte engang Antarktis for "det sidste uspolerede sted på Jorden ... hvor mennesker mødes for at udforske den rene videnskabs kunst, leder efter noget, der hedder fakta."

Forskere går langt ud over Antarktis til et andet uspoleret sted, de fjerneste rækker af vores univers, at kæmpe med fundamentale kosmologiske parametre og strukturens adfærd i vores univers.