Sydpolteleskopet scanner himlen som sydlys, eller aurora australis, danne grønne mønstre i dette 2018-videoklip. CMB-S4-projektet vil indeholde nye teleskoper omkring dette sted med aktuelle eksperimenter på Sydpolen, og også i Chiles høje ørken. Kredit:Robert Schwarz/University of Minnesota
Det hidtil største samarbejdsforetagende til at udforske relikvielyset udsendt af spædbarnsuniverset har taget et skridt fremad med det amerikanske energiministeriums udvælgelse af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) til at lede partnerskabet mellem nationale laboratorier, universiteter, og andre institutioner, der slutter sig til bestræbelserne på at udføre DOE-rollerne og -ansvaret. Dette næste generations eksperiment, kendt som CMB-S4, eller Cosmic Microwave Background Stage 4, er ved at blive planlagt til at blive et fælles DOE og National Science Foundation-projekt.
CMB-S4 vil forene flere eksisterende samarbejder for at undersøge mikrobølgehimlen i hidtil uset detalje med 500, 000 ultrafølsomme detektorer i syv år. Disse detektorer vil blive placeret på 21 teleskoper på to af vores planets vigtigste steder for at se det dybe rum:Sydpolen og den høje chilenske ørken. Projektet er beregnet til at låse op for mange hemmeligheder inden for kosmologi, grundlæggende fysik, astrofysik, og astronomi.
Ved at kombinere en blanding af store og små teleskoper på begge steder, CMB-S4 vil være det første eksperiment, der får adgang til hele omfanget af jordbaseret CMB-videnskab. Det vil måle altid så små variationer i temperatur og polarisering, eller retningsbestemt, af mikrobølgelys hen over det meste af himlen, at sondere for krusninger i rum-tid forbundet med en hurtig ekspansion i begyndelsen af universet, kendt som inflation.
CMB-S4 vil også hjælpe med at måle neutrinoens masse; kortlægge væksten af stofklynger over tid i universet; kaste nyt lys over mystisk mørkt stof, som udgør det meste af universets stof, men som endnu ikke er blevet direkte observeret, og mørk energi, som driver en accelererende udvidelse af universet; og hjælp til at opdage og studere kraftige rumfænomener såsom gammastråleudbrud og jet-emitterende blazarer.
Dette billede, fra "Evig himmel, ” en videoserie om Simons Observatory, viser Atacama-ørkenstedet, hvor nogle af teleskoperne til CMB-S4-eksperimentet vil blive bygget. Kredit:Debra Kellner/Simons Foundation
Den 1. sept. DOE Office of Science Director Chris Fall godkendte valget af Berkeley Lab som det ledende laboratorium for DOE's roller og ansvar på CMB-S4, med Argonne National Laboratory, Fermi National Accelerator Laboratory, og SLAC National Accelerator Laboratory fungerer som partnerlaboratorier. CMB-S4-samarbejdet tæller nu 236 medlemmer på 93 institutioner i 14 lande og 21 amerikanske stater.
Projektet passerede sin første DOE-milepæl, kendt som Critical Decision 0 eller CD-0, den 26. juli, 2019. Det er blevet godkendt af 2014-rapporten fra Partikelfysikprojektets prioriteringspanel (kendt som P5), som er med til at sætte den fremtidige retning for partikelfysikrelateret forskning. Projektet blev også anbefalet i National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science i 2015, og af Astronomy and Astrophysics Advisory Committee i 2017.
CMB-S4 vil også hjælpe med at måle neutrinoens masse; kortlægge væksten af stofklynger over tid i universet; kaste nyt lys over mystisk mørkt stof, som udgør det meste af universets stof, men som endnu ikke er blevet direkte observeret, og mørk energi, som driver en accelererende udvidelse af universet; og hjælp til at opdage og studere kraftige rumfænomener såsom gammastråleudbrud og jet-emitterende blazarer.
Den 1. sept. DOE Office of Science Director Chris Fall godkendte valget af Berkeley Lab som det ledende laboratorium for DOE's roller og ansvar på CMB-S4, med Argonne National Laboratory, Fermi National Accelerator Laboratory, og SLAC National Accelerator Laboratory fungerer som partnerlaboratorier. CMB-S4-samarbejdet tæller nu 236 medlemmer på 93 institutioner i 14 lande og 21 amerikanske stater.
Udsigt over Sydpolteleskopet, et af de eksisterende instrumenter på Sydpolen, hvor CMB-S4 skal bygges. Kredit:Argonne National Laboratory
Projektet passerede sin første DOE-milepæl, kendt som Critical Decision 0 eller CD-0, den 26. juli, 2019. Det er blevet godkendt af 2014-rapporten fra Partikelfysikprojektets prioriteringspanel (kendt som P5), som er med til at sætte den fremtidige retning for partikelfysikrelateret forskning. Projektet blev også anbefalet i National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science i 2015, og af Astronomy and Astrophysics Advisory Committee i 2017.
NSF har været nøglen til udviklingen af CMB-S4, som bygger på NSF's eksisterende program for universitetsledede, jordbaserede CMB-eksperimenter. Fire af disse eksperimenter - Atacama Cosmology Telescope og POLARBEAR/Simons Array i Chile, og South Pole Telescope og BICEP/Keck på Sydpolen - hjalp med at starte CMB-S4 i 2013, og designet af CMB-S4 er stærkt afhængig af teknologier udviklet og implementeret af disse teams og andre. NSF hjælper også med at planlægge sin mulige fremtidige rolle med et tilskud til University of Chicago.
CMB-S4-samarbejdet blev etableret i 2018, og dets nuværende medtalsmænd er Julian Borrill, leder af Computational Cosmology Center ved Berkeley Lab og en forsker ved UC Berkeley's Space Sciences Laboratory, og John Carlstrøm, professor i fysik, astronomi, og astrofysik ved University of Chicago og videnskabsmand ved Argonne Lab.
CMB-S4 bygger på årtiers erfaring med jordbaserede, satellit, og ballonbaserede eksperimenter.
Dette kort over universet, udgivet i 2018, viser temperaturudsving på mikrobølgehimlen. Kredit:ESA, Planck samarbejde
Det unikke ved CMB-S4 er ikke selve teknologien – detektorteknologien er allerede blevet bevist i tidligere eksperimenter, for eksempel - men omfanget, hvor teknologien vil blive implementeret, inklusive det store antal detektorer, skalaen af detektorudlæsningssystemerne, antal teleskoper, og mængden af data, der skal behandles.
CMB-S4, som vil overstige mulighederne for tidligere generationer af eksperimenter med mere end 10 gange, vil have den kombinerede synsevne af tre store teleskoper og 18 små teleskoper. Den største teknologiske udfordring for CMB-S4 ligger i dens skala. Mens tidligere generationer af instrumenter har brugt titusindvis af detektorer, hele CMB-S4-projektet vil kræve en halv mio.
Datahåndteringsudfordringerne vil være betydelige, også, da disse enorme rækker af detektorer vil producere 1, 000 gange flere data end den forrige generation af eksperimenter. Et stort hardwarefokus for projektet vil være konstruktionen af nye teleskoper og massefremstilling af detektorerne. Det nuværende detektordesign, tilpasset fra nuværende eksperimenter, vil indeholde over 500 siliciumwafers, der hver indeholder 1, 000 superledende detektorer.
CMB-S4 planlægger at trække på computerressourcer på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) og Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), og at ansøge om NSF's Open Science Grid og eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).
Denne prototype wafer, måler omkring 5 tommer på tværs, med over 1, 000 detektorer, blev lavet for at teste detektorfremstillingsprocesser og detektorkvalitet til CMB-S4-eksperimentet. Kredit:Aritoki Suzuki/Berkeley Lab
Projektet håber at kunne indsætte sit første teleskop i 2027, at være fuldt operationel ved alle teleskoper inden for et par år, og løbe gennem 2035.
Næste trin omfatter forberedelse af et projektkontor på Berkeley Lab, gør klar til den næste DOE-milepæl, kendt som kritisk beslutning 1, arbejder på at blive et NSF-projekt, og arbejder på tværs af samfundet for at bringe den bedste ekspertise og kapacitet ind.
Sidste artikelVideo:Råd fra en astronaut
Næste artikelTo nye arrays komplet detektor til Antarktis ballon observatorium mission