Карти гравітаційного лінзування з початкових даних обіцяють ще більше деталей. Argonne є частиною багатоінституційної роботи з дослідження неба в пошуках підказок про походження та природу нашого Всесвіту.
Понад п’ять років вчені на Південному полюсному телескопі в Антарктиді спостерігали за небом за допомогою модернізованої камери. Розширений погляд на космос збирає залишкове світло від раннього формування Всесвіту. Тепер дослідники проаналізували початкову партію даних, опублікувавши подробиці в журналі Physical Review D. Результати цього обмеженого набору даних натякають на ще більш потужне майбутнє уявлення про природу нашого Всесвіту.
Прорив в аналізі космічного мікрохвильового фону
Розташований на станції Південного полюса Національного наукового фонду Амундсена-Скотта, телескоп отримав нову камеру в 2017 році, відому як SPT-3G, яка була створена та тепер експлуатується завдяки співпраці під керівництвом Чиказького університету .
Оснащений 16 000 детекторів — у 10 разів більше, ніж його попередник — SPT-3G займає центральне місце в багатоінституційних дослідженнях, які частково очолює Аргонська національна лабораторія. Мета полягає в тому, щоб виміряти слабке світло, відоме як космічний мікрохвильовий фон. Космічний мікрохвильовий фон — це післясвітіння Великого вибуху , коли Всесвіт вибухнув з єдиної точки енергії майже 14 мільярдів років тому.
«CMB — це карта скарбів для космологів», — сказав Чжаоді Пан, провідний автор статті та науковий співробітник Марії Гепперт Майєр в Аргонні. «Його незначні коливання температури та поляризації відкривають унікальне вікно в дитинство Всесвіту.
Гравітаційне лінзування та дослідження темної матерії
Стаття в Physical Review D пропонує перші вимірювання гравітаційної лінзи CMB за допомогою SPT-3G. Гравітаційне лінзування відбувається, коли величезна мережа матерії у Всесвіті спотворює реліктове випромінювання під час його подорожі в космосі. Якби ви помістили вигнуту основу келиха на сторінку книги, скло спотворило б ваш погляд на слова за ним. Подібним чином речовина в зоні зору телескопа утворює лінзу, яка викривляє світло CMB і наш погляд на нього. Альберт Ейнштейн описав це викривлення в тканині простору-часу у своїй теорії загальної відносності.
«CMB — це карта скарбів для космологів. Його незначні коливання температури та поляризації створюють унікальне вікно в дитинство Всесвіту». — Чжаоді Пан, Марія Гепперт Майєр, співробітник Аргонни
Вимірювання цього спотворення містить підказки про ранній Всесвіт і таємниці, такі як темна матерія, невидимий компонент космосу. «Темну матерію складно виявити, оскільки вона не взаємодіє зі світлом чи іншими формами електромагнітного випромінювання. Наразі ми можемо спостерігати це лише через гравітаційну взаємодію», — сказав Пан.
Вчені вивчають CMB з моменту його відкриття в 1960-х роках, спостерігаючи за допомогою телескопів як на землі, так і в космосі. Незважаючи на те, що останній аналіз використовує лише кілька місяців даних SPT-3G з 2018 року, вимірювання гравітаційного лінзування вже є конкурентоспроможним у цій галузі.
«Однією зі справді захоплюючих частин цього дослідження є те, що результат отримано з того, що, по суті, є замовними даними, з яких ми тільки починали спостереження за допомогою SPT-3G — і результат уже чудовий», — сказала Емі Бендер, фізик з Argonne та співавтор роботи. «У нас є дані ще за п’ять років, які ми зараз аналізуємо, тож це лише натяки на те, що буде».
Перспективні напрямки майбутніх досліджень
Суха, стабільна атмосфера та віддалене розташування телескопа Південного полюса створюють якомога менше перешкод під час полювання на діаграми CMB. Проте дані високочутливої камери SPT-3G містять забруднення з атмосфери, а також із нашої власної галактики та позагалактичних джерел. Аналіз навіть кількох місяців даних із SPT-3G — це справа, яка триває роками, оскільки дослідникам потрібно перевірити дані, відфільтрувати шум та інтерпретувати вимірювання. Команда використовувала спеціальний кластер, групу комп’ютерів, у Центрі обчислювальних ресурсів Аргоннської лабораторії, щоб виконати деякі обчислення для дослідження.
«Ми виявили, що спостережувані моделі лінзування в цьому дослідженні добре пояснюються загальною теорією відносності», — сказав Пан. «Це свідчить про те, що наше поточне розуміння гравітації справедливо для цих великих масштабів. Результати також зміцнюють наше існуюче розуміння того, як утворилися структури матерії в нашому Всесвіті».
Карти лінзування SPT-3G з даних за додаткові роки також допоможуть у дослідженні космічної інфляції або ідеї про те, що ранній Всесвіт зазнав швидкого експоненціального розширення. Космічна інфляція є «ще одним наріжним каменем космології», зазначив Пан, і вчені шукають ознаки ранніх гравітаційних хвиль та інші прямі докази цієї теорії. Наявність гравітаційних лінз створює перешкоди інфляційним відбиткам, що вимагає видалення такого забруднення, яке можна розрахувати за допомогою точних вимірювань лінз.
Хоча деякі результати нових даних SPT-3G підкріплять наявні знання, інші викличуть нові запитання.
«Щоразу, коли ми додаємо більше даних, ми знаходимо більше речей, які ми не розуміємо», — сказав Бендер, який проводить спільну зустріч у Чиказькому університеті. «У міру того, як ви знімаєте шари цієї цибулі, ви дізнаєтеся все більше і більше про свій інструмент, а також про свої наукові вимірювання неба».
Настільки мало відомо про невидимі компоненти Всесвіту, що будь-яке розуміння має вирішальне значення, Пан сказав: «Чим більше ми дізнаємося про розподіл темної матерії, тим ближче ми підходимо до розуміння її природи та її ролі у формуванні Всесвіту, в якому ми живемо. сьогодні».
