Det futuristiske sydpolteleskop ser langt tilbage i tiden

Et samarbejdsprojekt, der undersøger kosmos fra dets isolerede position i Antarktis, har til formål at afsløre indsigt om universets begyndelse.

Om sommeren på Sydpolen, som varer fra november til februar, er gennemsnitstemperaturen en bidende minus 18 grader F. Solen går ikke ned i løbet af denne tid, hvilket gør søvnen til en udfordring. Miljøet er barskt og tørt. Og internetforbindelsen på Amundsen-Scott South Pole Station, når du kan få adgang til den, er smerteligt langsom.

På den anden side er distraktioner fra arbejdet få, og landskabet er fantastisk. Måltider fra onsite køkkenet er store. Den bedste del? Der er et enestående syn på det tidlige univers.

Ser det ældste lys i universet

Den udsigt, som kommer fra forskningsstationens South Pole Telescope (SPT), er ikke, hvad mange af os ville forestille os, når vi kigger op mod himlen. I stedet for stjerner og planeter ligner SPT's billeder mere et Jackson Pollock-maleri. De fanger data relateret til universets oprindelse og dets udvikling over milliarder af år.

Siden SPT begyndte at fungere i 2007, har den hjulpet forskere med at opdage over 1.000 gigantiske galaksehobe (inklusive nogle virkelig usædvanlige) og har ændret vores forståelse af perioden, hvor de første stjerner blev dannet, blandt andre åbenbaringer. Over 20 universiteter og U.S. Department of Energy (DOE) forskningsfaciliteter, herunder Argonne National Laboratory, samarbejder om indsatsen.

Det 33-fods teleskop bruger detektorer udviklet og bygget i Argonne til at studere den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB). CMB består af lys produceret, da universet var omkring 380.000 år gammelt. Dengang var babyuniverset et intenst varmt plasma, og gløden, det producerede, har rejst gennem rummet i omkring 14 milliarder år.

"At se på den kosmiske mikrobølgebaggrund, male vores tidlige univers og forbinde det med de observationer, vi ser i dag, udgør en af ​​de vigtigste grundpiller i vores kosmologiske model," sagde Lindsey Bleem, fysiker hos Argonne, der indsamler og analyserer data fra SPT.

Antarktis er et af de bedste steder i verden til at opdage dette svage signal, fordi det i bund og grund er en frossen ørken og meget tør. Vand i luften kan skabe "støj" i en udsigt til himlen med et teleskop, forklarede Bleem, hvilket gør billedet mindre klart. SPT's miljø er så fri for interferens som muligt på Jorden.

For det meste kan forskere indsamle og arbejde med SPT's data fra Argonne i Illinois eller fra et hvilket som helst andet sted, der er sat op til at få adgang til dataene eksternt. Men lejlighedsvis kræver vedligeholdelse og opgraderinger, såsom et tredjegenerationskamera installeret i 2017, rejser til denne facilitet midt i en frossen ørken.

Uanset om det drejer sig om at håndtere den tandklaprende kulde, at vente på, at der kommer forsyninger ind eller at sørge for, at udstyret er vedligeholdt og vejrbestandigt, kan den fjerne placering være skræmmende. Alene manglen på fugt er "noget, der er lidt udfordrende og kan også forstyrre, hvordan tingene går fra dag til dag," sagde Clarence Chang, en Argonne-fysiker, der udvikler superledende detektorer til SPT.

En fordel:I løbet af teleskopets sommersæson sørger personalekokke for måltider til besøgende forskere, og "maden er helt fantastisk," sagde Bleem.

Superfølsomme, superledende detektorer

2017-opgraderingen til SPT's kamera tog det fra 1.600 til 16.000 detektorer. Aggregeret sammen ligner detektorerne en honeycomb, der måler omkring 17 tommer på tværs. Detektorerne holdes langt koldere end selv den koldeste antarktiske nat, lige over det absolutte nulpunkt eller minus 459 F. Temperaturen, kombineret med følsomheden af ​​deres superledende materialer, hjælper dem med at registrere det meget svage lys fra CMB.

Forskere benyttede sig af Argonnes Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-brugerfacilitet, til at fremstille detektorerne. Anlæggets udstyr gør det muligt at kontrollere superledende materialer og behandle dem konsekvent.

Et af forskningsmålene med CMB-observationer er at udforske en teori kendt som kosmisk inflation, ideen om, at det tidlige univers gennemgik en massiv, ufattelig hurtig ekspansion. Denne teori er forbundet med forudsigelser af særlige mønstre i CMB.

"Disse forudsigelser er ekstremt udfordrende at måle. Signalerne er meget svage, hvilket kræver bygning af utroligt følsomme instrumenter," sagde Chang.

SPT påbegyndte en seks-årig undersøgelse med det nye kamera i 2018. Det forbedrede detektorarray, kombineret med mange års observation, er lidt som at indstille en lang eksponering på det nyeste og bedste smartphone-kamera for at fange et detaljeret billede om natten.

"Det tikker af sted og indsamler data for os," sagde Amy Bender, en Argonne-fysiker, der hjalp med at installere tredjegenerationskameraet. "Vi observerer det samme stykke himmel hver eneste dag, hele dagen. Jo mere vi observerer det, jo bedre kan vi registrere svagere signaler."

Når SPT's løb slutter i 2024, vil forskerne have travlt med ikke kun at analysere de resulterende data, men arbejde på yderligere opgraderinger til SPT.

Argonnes evne til pålideligt at producere superfølsomme teleskopdetektorer vil også være afgørende for et nyt, ambitiøst eksperiment:CMB-S4. I det eksperiment vil et samarbejde mellem Argonne og snesevis af institutioner verden over, 21 teleskoper på Sydpolen og i den chilenske Atacama-ørken undersøge himlen i syv år, startende ved slutningen af ​​årtiet. Antallet af installerede detektorer vil springe til 500.000, og nogle af dem vil blive lavet i Argonne.

Knuser de ekstragalaktiske tal

Simuleringer, der kører på højtydende computere på Argonne Leadership Computing Facility, også en DOE Office of Science brugerfacilitet, er nøglen til afkodning af observationer fra SPT. Forskere bruger denne computerkraft til at korrelere teorier om, hvordan stof og kræfter interagerer i universet. En galaksehob i teleskopets sigtelinje vil for eksempel forvrænge baggrundslys fra andre galakser og CMB. Den effekt skal måles og korreleres tilbage til teoretiske forudsigelser.

For at forklare, hvordan simuleringer hjælper observationer, gav Bleem et eksempel:Lad os sige, at du havde et billede af Eiffeltårnet uden data om, hvor høj strukturen er. Du kan bruge den kendte måling af et nærliggende objekt, såsom en person, der står på jorden, til at ræsonnere dens dimensioner. På samme måde hjælper computere med at bygge bro mellem det, vi ved, og det, vi ønsker at opdage, ved både at give os forståelse for disse komplicerede processer og give os mulighed for at vurdere, hvor godt vores analyseværktøjer kan rekonstruere modeller af disse fænomener.

Med den opgraderede SPT og det kommende CMB-S4-projekt fortsætter forskerne med at generere flere observationsdata. Argonnes computerressourcer holder trit, bemærkede J.D. Emberson, en beregningsforsker ved Argonne.

"De første kosmologikoder simulerede kun tyngdekraften," sagde Emberson. "Men efterhånden som vi får bedre og større teleskoper, der kan indsamle mere information i universet, er det vigtigt, at vi har evnerne til at simulere mere end blot tyngdekraften."

Emberson arbejder på Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), den ramme, der bruges til at køre kosmologiske simuleringer for SPT og andre teleskoper. Hans arbejde, som er en del af det Argonne-ledede ExaSky-projekt, er at forberede HACC til exascale-computere som Aurora, som vil være velegnede til at håndtere ekstrem-skala kosmologiske simuleringer.

"Når forskere bygger næste generations instrumenter, ønsker vi at være i stand til at skubbe næste generations databehandling til at matche det," sagde Emberson.

Både computeren og de avancerede detektorer, der udvikles ved Argonne, tjener SPT's udforskning af kosmos. Men de er også relevante for en række andre teknologier her på jorden, såsom screening for sundhedspleje og sikkerhed.

"Intet firma laver udstyr som dette i dag," sagde Bender. "Så vi leder fronten for at skubbe teknologien til det. Hvem ved, hvilke døre der kan åbne for andre områder?" + Udforsk yderligere

Kigger på universet fra jordens bund