Resultater fra South Pole Telescopes nyt kamera dukker op

I mere end fem år har forskere ved Sydpolteleskopet i Antarktis observeret himlen med et opgraderet kamera. Det udvidede blik mod kosmos opfanger restlys fra universets tidlige dannelse. Nu har forskere analyseret en indledende batch af data og offentliggjort detaljer i tidsskriftet Physical Review D . Resultaterne fra dette begrænsede datasæt antyder endnu mere kraftfuld fremtidig indsigt om arten af ​​vores univers.

Teleskopet på Amundsen-Scott South Pole Station, som drives af National Science Foundation, modtog et nyt kamera kendt som SPT-3G i 2017. Udstyret med 16.000 detektorer – 10 gange flere end sin forgænger – er SPT-3G centralt. til multi-institutionel forskning ledet til dels af det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory. Målet er at måle svagt lys kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB). CMB er eftergløden fra Big Bang, da universet brød frem fra et enkelt energipunkt for næsten 14 milliarder år siden.

"CMB er et skattekort for kosmologer," sagde Zhaodi Pan, avisens hovedforfatter og en Maria Goeppert Mayer-stipendiat ved Argonne. "Dens minimale variationer i temperatur og polarisering giver et unikt vindue ind i universets barndom."

Opgaven i Physical Review D tilbyder de første CMB gravitationslinsemålinger fra SPT-3G. Gravitationslinser sker, når universets enorme stofnet forvrænger CMB'en, når den rejser gennem rummet. Hvis du skulle placere den buede bund af et vinglas på siden af ​​en bog, ville glasset fordreje dit syn på ordene bagved. På samme måde danner stof i teleskopets sigtelinje en linse, der bøjer CMB-lyset og vores syn på det. Albert Einstein beskrev denne forvridning i rumtidens struktur i sin almene relativitetsteori.

Målinger af denne forvrængning rummer spor om det tidlige univers og mysterier som mørkt stof, en usynlig komponent af kosmos. "Mørkt stof er svært at opdage, fordi det ikke interagerer med lys eller andre former for elektromagnetisk stråling. I øjeblikket kan vi kun observere det gennem gravitationsinteraktioner," sagde Pan.

Forskere har studeret CMB lige siden den blev opdaget i 1960'erne og observeret den gennem teleskoper både på jorden og i rummet. Selvom den nyeste analyse kun bruger et par måneders SPT-3G-data fra 2018, er måling af gravitationslinser allerede konkurrencedygtig på området.

"En af de virkelig spændende dele af denne undersøgelse er, at resultatet kommer fra det, der i det væsentlige er idriftsættelse af data fra dengang, vi lige var i gang med observationer med SPT-3G - og resultatet er allerede fantastisk," sagde Amy Bender, fysiker ved Argonne og papir medforfatter. "Vi har fem års data mere, som vi arbejder på at analysere nu, så dette antyder bare, hvad der kommer."

Sydpolteleskopets tørre, stabile atmosfære og fjerntliggende placering skaber så lidt interferens som muligt, når man jager efter CMB-mønstre. Alligevel indeholder data fra det meget følsomme SPT-3G-kamera forurening fra atmosfæren såvel som fra vores egen galakse og ekstragalaktiske kilder.

At analysere selv et par måneders data fra SPT-3G er en opgave, der varer årevis, da forskere skal validere data, filtrere støj fra og fortolke målinger. Holdet brugte en dedikeret klynge, en gruppe computere, på Argonne Laboratory Computing Resource Center til at køre nogle af beregningerne til forskningen.

"Vi fandt ud af, at de observerede linsemønstre i denne undersøgelse er godt forklaret af den generelle relativitetsteori," sagde Pan. "Dette tyder på, at vores nuværende forståelse af tyngdekraften gælder for disse store skalaer. Resultaterne styrker også vores eksisterende forståelse af, hvordan stofstrukturer blev dannet i vores univers."

SPT-3G-linsekort fra flere års data vil også hjælpe med at undersøge kosmisk inflation eller ideen om, at det tidlige univers gennemgik en hurtig eksponentiel udvidelse. Kosmisk inflation er "en anden hjørnesten i kosmologi," bemærkede Pan, og videnskabsmænd jager efter tegn på tidlige gravitationsbølger og andre direkte beviser for denne teori. Tilstedeværelsen af ​​gravitationslinser introducerer interferens med inflationære aftryk, hvilket nødvendiggør fjernelse af sådan forurening, som kan beregnes ved hjælp af præcise linsemålinger.

Mens nogle resultater fra de nye SPT-3G-data vil forstærke eksisterende viden, vil andre rejse nye spørgsmål.

"Hver gang vi tilføjer flere data, finder vi flere ting, som vi ikke forstår," sagde Bender, som har en fælles ansættelse ved University of Chicago. "Når du skræller lag af dette løg tilbage, lærer du mere og mere om dit instrument og også om din videnskabelige måling af himlen."

Så lidt er kendt om universets usete komponenter, at enhver forståelse opnået er kritisk, sagde Pan, "Jo mere vi lærer om fordelingen af ​​mørkt stof, jo tættere kommer vi på at forstå dets natur og dets rolle i dannelsen af ​​det univers, vi lever i. i dag."

Flere oplysninger: Z. Pan et al., Måling af gravitationslinser af den kosmiske mikrobølgebaggrund ved hjælp af SPT-3G 2018-data, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang D

Leveret af Argonne National Laboratory