Η σκοτεινή ύλη έρχεται στο επίκεντρο από την πρωτοποριακή έρευνα στον Νότιο Πόλο

Οι χάρτες βαρυτικού φακού από τα ακατέργαστα δεδομένα υπόσχονται περισσότερες λεπτομέρειες.

Το Argonne είναι μέρος μιας πολυθεσμικής προσπάθειας για τη σάρωση του ουρανού για ενδείξεις σχετικά με την προέλευση και τη φύση του σύμπαντος μας.

Για περισσότερα από πέντε χρόνια, οι επιστήμονες στο τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου στην Ανταρκτική παρακολουθούν τον ουρανό χρησιμοποιώντας μια αναβαθμισμένη κάμερα. Η εκτεταμένη θέα στο σύμπαν αιχμαλωτίζει το φως που έχει απομείνει από τον πρώιμο σχηματισμό του σύμπαντος. Τώρα οι ερευνητές ανέλυσαν ένα αρχικό σύνολο δεδομένων και δημοσίευσαν τις λεπτομέρειες στο περιοδικό Φυσική ανασκόπηση δ. Τα αποτελέσματα από αυτό το περιορισμένο σύνολο δεδομένων δείχνουν πιο ισχυρές μελλοντικές γνώσεις για τη φύση του σύμπαντος μας.

Ανακάλυψη στην ανάλυση υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων

Τοποθετημένο στον Ανταρκτικό Σταθμό Amundsen-Scott του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών, το τηλεσκόπιο έλαβε μια νέα κάμερα το 2017, γνωστή ως SPT-3G, η οποία τώρα κατασκευάζεται και λειτουργεί μέσω μιας συνεργασίας με επικεφαλής τον Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Εξοπλισμένο 16.000 ανιχνευτές — Δέκα φορές πιο μαζικό από τον προκάτοχό του — Το SPT-3G είναι κεντρικό στην πολυϊδρυματική έρευνα που ηγείται εν μέρει από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne. Ο στόχος είναι να μετρηθεί το αχνό φως που είναι γνωστό ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων είναι το σέλας η μεγάλη έκρηξηΌταν το σύμπαν εξερράγη από ένα μόνο σημείο ενέργειας πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια.

Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων – το παλαιότερο φως στο σύμπαν – έχει διανύσει μεγάλες αποστάσεις πριν φτάσει σε εμάς. Κατά τη διάρκεια του εκτεταμένου ταξιδιού του, οι βαρυτικές δυνάμεις από τεράστιες κοσμικές δομές προκάλεσαν το μονοπάτι του να λυγίσει πριν το συλλάβει το τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου. Πίστωση: Εθνικό Εργαστήριο Zhaodi Pan/Argonne

«Το CMB είναι ένας χάρτης θησαυρού για τους κοσμολόγους», είπε ο Zhaodi Pan, επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας και μέλος της Maria Goeppert Mayer στο Argonne. «Οι μικροσκοπικές διαφορές στη θερμοκρασία και την πόλωση παρέχουν ένα μοναδικό παράθυρο στην παιδική ηλικία του σύμπαντος.

Γνωρίσματα βαρυτικού φακού και σκοτεινής ύλης

Το χαρτί είναι μέσα Φυσική ανασκόπηση δ Παρουσιάζει τις πρώτες μετρήσεις βαρυτικού φακού CMB από το SPT-3G. Ο βαρυτικός φακός εμφανίζεται όταν ο τεράστιος ιστός ύλης του σύμπαντος παραμορφώνει το CMB καθώς ταξιδεύει στο διάστημα. Εάν τοποθετήσετε την κυρτή βάση ενός ποτηριού κρασιού στη σελίδα ενός βιβλίου, το ποτήρι θα παραμορφώσει την άποψή σας για τις λέξεις πίσω από αυτό. Ομοίως, το υλικό στη γραμμή όρασης ενός τηλεσκοπίου σχηματίζει έναν φακό που κάμπτει το φως CMB και την άποψή μας γι' αυτό. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε αυτή τη στρέβλωση στον ιστό του χωροχρόνου στη θεωρία της γενικής σχετικότητας.

“Το CMB είναι ένας χάρτης θησαυρού για τους κοσμολόγους. Οι μικροσκοπικές του διαφορές στη θερμοκρασία και την πόλωση παρέχουν ένα μοναδικό παράθυρο στην παιδική ηλικία του σύμπαντος.” – Zhaodi Pan, Maria Goeppert-Mayer Fellow στο Argonne

Οι μετρήσεις αυτής της παραμόρφωσης περιέχουν ενδείξεις για το πρώιμο σύμπαν και μυστικά όπως η σκοτεινή ύλη, ένα αόρατο συστατικό του σύμπαντος. “Η σκοτεινή ύλη είναι δύσκολο να ανιχνευθεί, επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως ή άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επί του παρόντος, μπορούμε να την παρατηρήσουμε μόνο μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων”, είπε ο Παν.

Οι επιστήμονες μελετούν το CMB από την ανακάλυψή του στη δεκαετία του 1960, παρατηρώντας το μέσω τηλεσκοπίων στη Γη και στο διάστημα. Αν και η τελευταία ανάλυση χρησιμοποιεί μόνο μερικούς μήνες δεδομένων SPT-3G από το 2018, ο βαρυτικός φακός είναι ήδη ανταγωνιστικός στον τομέα αυτό.

«Ένα από τα πραγματικά ενδιαφέροντα μέρη αυτής της μελέτης είναι ότι το αποτέλεσμα προέρχεται από αυτό που ουσιαστικά απαιτούσε δεδομένα όταν μόλις ξεκινούσαμε τις παρατηρήσεις με το SPT-3G — και το αποτέλεσμα είναι πραγματικά αξιοσημείωτο», δήλωσε η Amy Bender, φυσικός στο Argonne και στο MIT. Συν-συγγραφέας της εργασίας. «Έχουμε άλλα πέντε χρόνια δεδομένων που αναλύουμε τώρα, οπότε αυτό δείχνει απλώς τι πρόκειται να ακολουθήσει».

Υποσχόμενες μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας

Η ξηρή, σταθερή ατμόσφαιρα και η απομακρυσμένη θέση του τηλεσκοπίου του Νότιου Πόλου δημιουργούν ελάχιστες παρεμβολές κατά την αναζήτηση μοτίβων CMB. Ωστόσο, τα δεδομένα από την εξαιρετικά ευαίσθητη κάμερα SPT-3G περιέχουν μόλυνση από την ατμόσφαιρα, καθώς και από τον Γαλαξία μας και τις εξωγαλαξιακές πηγές. Η ανάλυση δεδομένων SPT-3G για έστω και μερικούς μήνες είναι μια εργασία που διαρκεί χρόνια, καθώς οι ερευνητές πρέπει να επικυρώσουν τα δεδομένα, να φιλτράρουν τον θόρυβο και να ερμηνεύσουν τις μετρήσεις. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα αποκλειστικό σύμπλεγμα, μια ομάδα υπολογιστών, στο Κέντρο Υπολογιστικών Πόρων στο εργαστήριο Argonne για να εκτελέσει ορισμένους από τους υπολογισμούς για την έρευνα.

«Βρήκαμε ότι τα μοτίβα φακού που παρατηρήθηκαν σε αυτή τη μελέτη εξηγούνται καλά από τη γενική σχετικότητα», είπε ο Παν. “Αυτό υποδηλώνει ότι η τρέχουσα κατανόησή μας για τη βαρύτητα ισχύει σε αυτές τις μεγάλες κλίμακες. Τα αποτελέσματα ενισχύουν επίσης την τρέχουσα κατανόησή μας για το πώς σχηματίζονται οι δομές της ύλης στο σύμπαν μας.”

Οι χάρτες SPT-3G που εξάγονται από δεδομένα πρόσθετων ετών θα βοηθήσουν επίσης στην επαλήθευση του κοσμικού πληθωρισμού ή της ιδέας ότι το πρώιμο σύμπαν υπέστη ταχεία εκθετική διαστολή. Ο Παν σημείωσε ότι ο κοσμικός πληθωρισμός είναι «άλλος ακρογωνιαίος λίθος της κοσμολογίας» και ότι οι επιστήμονες αναζητούν πρώιμα σημάδια της εμφάνισης του σύμπαντος. Βαρυτικά κύματα Και άλλες άμεσες αποδείξεις αυτής της θεωρίας. Η παρουσία βαρυτικού φακού εισάγει παρεμβολές στην φουσκωτή υπογραφή, καθιστώντας αναγκαία την αφαίρεση αυτής της μόλυνσης, η οποία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας ακριβείς μετρήσεις φακών.

Ενώ ορισμένα αποτελέσματα από τα νέα δεδομένα SPT-3G θα ενισχύσουν την υπάρχουσα γνώση, άλλα θα εγείρουν νέα ερωτήματα.

«Κάθε φορά που προσθέτουμε περισσότερα δεδομένα, βρίσκουμε περισσότερα πράγματα που δεν καταλαβαίνουμε», είπε ο Bender, ο οποίος έχει ένα κοινό ραντεβού στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. «Καθώς ξεφλουδίζετε τα στρώματα αυτού του κρεμμυδιού, μαθαίνετε όλο και περισσότερα για το όργανό σας και επίσης για την επιστημονική σας μέτρηση του ουρανού».

Πολύ λίγα είναι γνωστά για τα αόρατα συστατικά του σύμπαντος, καθιστώντας την όποια κατανόηση αποκτηθεί κρίσιμη. “Όσο περισσότερα μαθαίνουμε για την κατανομή της σκοτεινής ύλης, τόσο πιο κοντά ερχόμαστε στην κατανόηση της φύσης και του ρόλου της στη διαμόρφωση του σύμπαντος στο οποίο ζούμε”, είπε ο Pan. Ανά μέρα.”

Αναφορά: «Μέτρηση βαρυτικού φακού του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων με χρήση δεδομένων SPT-3G 2018» έως τις 12 Δεκεμβρίου 2023, Φυσική ανασκόπηση δ.
doi: 10.1103/PhysRevD.108.122005

Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Πολικών Προγραμμάτων του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών και το Πρόγραμμα Φυσικής Υψηλής Ενέργειας του Γραφείου Επιστήμης του Τμήματος Ενέργειας. Ο Παν ηγήθηκε της επιστημονικής ανάλυσης, σε στενή συνεργασία με τους κύριους συν-συγγραφείς WL Kimmy Wu και Federico Bianchini (SLAC National Laboratory) και τη συνεργασία SPT-3G. Συν-συγγραφείς που συνδέονται με τον Argonne με τους Bender and Pan είναι οι Lindsey Plame, Karen Byrom, John Carlstrom, Faustin Carter (απόφοιτος Argonne), Thomas Cecil, Clarence Zhang, Junjia Ding (απόφοιτος Argonne), Riccardo Gualtieri (απόφοιτος Argonne), Angelina Harkey- Housman ( Argonne Alumnus), Jason Henning (Argonne Alumnus), Florian Kirozuri, Torbati Khairy (Argonne Alumnus), Steve Coleman, Valentin Novosad, John Pearson, Christian Posada (Argonne Alumnus), Jinsheng Wang και Volodymyr Yevremenko.