Et nyt filter til bedre at kortlægge det mørke univers

Det tidligst kendte lys i vores univers, kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund, blev udsendt omkring 380, 000 år efter Big Bang. Mønstringen af ​​dette relikvielys rummer mange vigtige spor til udviklingen og distributionen af ​​storskalastrukturer såsom galakser og galaksehobe.

Forvrængninger i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), forårsaget af et fænomen kendt som linse, kan yderligere belyse universets struktur og kan endda fortælle os ting om det mystiske, uset univers – inklusive mørk energi, som udgør omkring 68 procent af universet og står for dets accelererende ekspansion, og mørkt stof, som udgør omkring 27 procent af universet.

Stil et vinglas med stilke på en overflade, og du kan se, hvordan linseeffekter samtidig kan forstørre, presse, og strække udsigten til overfladen under den. Ved objektivering af CMB, tyngdekraftseffekter fra store objekter som galakser og galaksehobe bøjer CMB-lyset på forskellige måder. Disse linseeffekter kan være subtile (kendt som svag linse) for fjerne og små galakser, og computerprogrammer kan identificere dem, fordi de forstyrrer det almindelige CMB-mønster.

Der er nogle kendte problemer med nøjagtigheden af ​​linsemålinger, selvom, og især med temperaturbaserede målinger af CMB og tilhørende linseeffekter.

Selvom objektivering kan være et kraftfuldt værktøj til at studere det usynlige univers, og kunne endda potentielt hjælpe os med at sortere egenskaberne af spøgelsesagtige subatomære partikler som neutrinoer, universet er et i sagens natur rodet sted.

Og som fejl på en bils forrude under en lang køretur, gassen og støvet, der hvirvler i andre galakser, blandt andre faktorer, kan sløre vores udsyn og føre til fejlaflæsninger af CMB-linserne.

Der er nogle filtreringsværktøjer, der hjælper forskere med at begrænse eller maskere nogle af disse effekter, men disse kendte forhindringer er fortsat et stort problem i de mange undersøgelser, der er afhængige af temperaturbaserede målinger.

Virkningerne af denne interferens med temperaturbaserede CMB-undersøgelser kan føre til fejlagtige linsemålinger, sagde Emmanuel Schaan, en postdoc-forsker og Owen Chamberlain postdoc-stipendiat i fysikafdelingen ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Du kan tage fejl og ikke vide det, " sagde Schaan. "De eksisterende metoder virker ikke perfekt - de er virkelig begrænsende."

For at løse dette problem, Schaan slog sig sammen med Simone Ferraro, en divisionsstipendiat i Berkeley Labs fysikafdeling, at udvikle en måde at forbedre klarheden og nøjagtigheden af ​​CMB-linsemålinger ved separat at tage højde for forskellige typer linseeffekter.

"Linsing kan forstørre eller forstørre ting. Det forvrænger dem også langs en bestemt akse, så de strækkes i én retning, " sagde Schaan.

Forskerne fandt ud af, at en bestemt linsesignatur kaldet shearing, hvilket forårsager denne strækning i én retning, virker stort set immun over for forgrundens "støj"-effekter, der ellers interfererer med CMB-linsedataene. Linseeffekten kendt som forstørrelse, i mellemtiden, er tilbøjelig til fejl introduceret af forgrundsstøj. Deres studie, offentliggjort 8. maj i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , bemærker en "dramatisk reduktion" i denne fejlmargen, når der udelukkende fokuseres på forskydningseffekter.

Kilderne til linsen, som er store genstande, der står mellem os og CMB-lyset, er typisk galaksegrupper og klynger, der har en nogenlunde sfærisk profil i temperaturkort, Ferraro bemærkede, og den seneste undersøgelse fandt ud af, at emissionen af ​​forskellige former for lys fra disse "forgrunds"-objekter kun ser ud til at efterligne forstørrelseseffekterne ved linse, men ikke forskydningseffekterne.

"Så vi sagde, "Lad os kun stole på skæringen, og vi vil være immune over for forgrundseffekter, '" sagde Ferraro. "Når du har mange af disse galakser, der for det meste er sfæriske, og du gennemsnit dem, de forurener kun forstørrelsesdelen af ​​målingen. Til skæring, alle fejlene er stort set væk."

Han tilføjede, "Det reducerer støjen, giver os mulighed for at få bedre kort. Og vi er mere sikre på, at disse kort er korrekte, "selv når målingerne involverer meget fjerne galakser som objekter med linse i forgrunden.

Den nye metode kan gavne en række himmelundersøgelseseksperimenter, undersøgelsesnotaterne, inklusive POLARBEAR-2 og Simons Array eksperimenterne, som har Berkeley Lab og UC Berkeley deltagere; projektet Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); og South Pole Telescope—3G-kamera (SPT-3G). Det kunne også hjælpe Simons Observatory og den foreslåede næste generation, multilocation CMB-eksperiment kendt som CMB-S4—Berkeley Lab-forskere er involveret i planlægningen af ​​begge disse bestræbelser.

Metoden kan også forbedre det videnskabelige udbytte fra fremtidige galakseundersøgelser som det Berkeley Lab-ledede Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-projekt under opførelse nær Tucson, Arizona, og Large Synoptic Survey Telescope (LSST)-projektet under opførelse i Chile, gennem fælles analyser af data fra disse himmelundersøgelser og CMB-linsedataene.

Stadig større datasæt fra astrofysiske eksperimenter har ført til mere koordinering ved sammenligning af data på tværs af eksperimenter for at give mere meningsfulde resultater. "Disse dage, synergierne mellem CMB og galakseundersøgelser er en stor ting, " sagde Ferraro.

I dette studie, forskere stolede på simulerede full-sky CMB-data. De brugte ressourcer på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) til at teste deres metode på hver af de fire forskellige forgrundsstøjkilder, som omfatter infrarød, radiofrekvens, termisk, og elektroninteraktionseffekter, der kan forurene CMB-linsemålinger.

Undersøgelsen bemærker, at kosmisk infrarød baggrundsstøj, og støj fra interaktionen af ​​CMB-lyspartikler (fotoner) med højenergielektroner har været de mest problematiske kilder at løse ved brug af standardfiltreringsværktøjer i CMB-målinger. Nogle eksisterende og fremtidige CMB-eksperimenter søger at mindske disse effekter ved at tage præcise målinger af polarisationen, eller orientering, af CMB-lyssignaturen i stedet for dens temperatur.

"Vi kunne ikke have lavet dette projekt uden en computerklynge som NERSC, " sagde Schaan. NERSC har også vist sig nyttig til at tjene andre universsimuleringer for at hjælpe med at forberede sig til kommende eksperimenter som DESI.

Metoden udviklet af Schaan og Ferraro er allerede ved at blive implementeret i analysen af ​​aktuelle eksperimenters data. En mulig anvendelse er at udvikle mere detaljerede visualiseringer af mørkt stof filamenter og noder, der ser ud til at forbinde stof i universet via et komplekst og skiftende kosmisk net.

Forskerne rapporterede om en positiv modtagelse af deres nyligt introducerede metode.

"Dette var et enestående problem, som mange mennesker havde tænkt over, " sagde Ferraro. "Vi er glade for at finde elegante løsninger."