Skygger i Big Bang Efterglød afslører usynlige kosmiske strukturer

Næsten 400,000 år efter Big Bang afkølede spædbarnsuniversets urplasma nok til, at de første atomer kunne smelte sammen, hvilket gav plads til, at den indlejrede stråling kunne svæve fri. Dette lys - den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) - fortsætter med at strømme gennem himlen i alle retninger og udsender et øjebliksbillede af det tidlige univers, der er opfanget af dedikerede teleskoper og endda afsløret i statikken på gamle katodestråle-fjernsyn.

Efter at forskerne opdagede CMB-strålingen i 1965, kortlagde de omhyggeligt dens bittesmå temperaturvariationer, hvilket viste den nøjagtige tilstand af kosmos da det blot var et skummende plasma. Nu genbruger de CMB-data for at katalogisere de storstilede strukturer, der udviklede sig over milliarder af år, efterhånden som universet modnes.

"Det lys oplevede en stor del af universets historie, og ved at se, hvordan det har ændret sig, kan vi lære om forskellige epoker," sagde Kimmy Wu, en kosmolog ved SLAC National Accelerator Laboratory.

I løbet af sin næsten 14 milliarder år lange rejse er lyset fra CMB blevet strakt, klemt og fordrejet af alt det på sin måde. Kosmologer begynder at se ud over de primære fluktuationer i CMB-lyset til de sekundære aftryk efterladt af interaktioner med galakser og andre kosmiske strukturer. Fra disse signaler får de et skarpere billede af fordelingen af ​​både almindeligt stof - alt, hvad der er sammensat af atomare dele - og det mystiske mørke stof. Til gengæld er disse indsigter med til at løse nogle langvarige kosmologiske mysterier og skabe nogle nye.

"Vi er klar over, at CMB ikke kun fortæller os om universets begyndelsesbetingelser. Det fortæller os også om galakserne selv,” sagde Emmanuel Schaan, også kosmolog hos SLAC. "Og det viser sig at være virkelig stærkt."

Et univers af skygger

Standard optiske undersøgelser, som sporer det lys, der udsendes af stjerner, overser de fleste af galaksernes underliggende masse. Det skyldes, at langt størstedelen af ​​universets samlede stofindhold er usynligt for teleskoper - gemt ude af syne enten som klumper af mørkt stof eller som den diffuse ioniserede gas, der bygger bro mellem galakser. Men både det mørke stof og den strøede gas efterlader sporbare aftryk på forstørrelsen og farven af ​​det indkommende CMB-lys.

"Universet er virkelig et skyggeteater, hvor galakserne er hovedpersonerne, og CMB er baggrundslyset," sagde Schaan.

Mange af skyggespillerne kommer nu i relief.

Når lyspartikler, eller fotoner, fra CMB spreder elektroner i gassen mellem galakser, bliver de stødt til højere energier. Derudover, hvis disse galakser er i bevægelse i forhold til det ekspanderende univers, får CMB-fotonerne et andet energiskifte, enten op eller ned afhængigt af klyngens relative bevægelse.

Dette par af effekter, kendt som henholdsvis de termiske og kinematiske Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effekter, var først teoretiseret i slutningen af ​​1960'erne og er blevet opdaget med stigende præcision i det seneste årti. Sammen efterlader SZ-effekterne en karakteristisk signatur, der kan pirres ud af CMB-billeder, hvilket gør det muligt for videnskabsmænd at kortlægge placeringen og temperaturen af ​​alt det almindelige stof i universet.

Endelig fordrejer en tredje effekt kendt som svag gravitationslinser vejen for CMB-lys, når det bevæger sig nær massive genstande, og forvrænger CMB, som om det blev set gennem bunden af ​​et vinglas. I modsætning til SZ-effekterne er linse følsom over for alt stof - mørkt eller andet.

Tilsammen giver disse effekter kosmologer mulighed for at adskille det almindelige stof fra det mørke stof. Så kan videnskabsmænd overlejre disse kort med billeder fra galakseundersøgelser for at måle kosmiske afstande og endda spore stjernedannelse.

In følgesvend papirer i 2021, et team ledet af Schaan og Stefania Amodeo, som nu er ved Strasbourg Astronomical Observatory i Frankrig, satte denne tilgang til at fungere. De undersøgte CMB-data taget af European Space Agency's Planck satellit og den jordbaserede Atacama kosmologiske teleskop, og derefter stablet oven på disse kort en ekstra optisk undersøgelse af næsten 500,000 galakser. Teknikken tillod dem at måle justeringen af ​​almindeligt stof og mørkt stof.

Analysen viste, at regionens gas ikke omfavnede sit understøttende netværk af mørkt stof så tæt, som mange modeller forudsagde. I stedet tyder det på, at eksplosioner fra supernovaer og tiltagende supermassive sorte huller tvang gassen væk fra dens mørke stofknuder og spredte den ud, så den var for tynd og kold til, at konventionelle teleskoper kunne opdage.

At opdage den diffuse gas i CMB-skygger har hjulpet forskerne yderligere med at adressere den såkaldte problem med manglende baryoner. Det har også givet estimater for styrken og temperaturen af ​​de spredte eksplosioner - data, som videnskabsmænd nu bruger til at forfine deres modeller af galakseudvikling og universets storskalastruktur.

I de senere år har kosmologer været forundrede over, at den observerede fordeling af stof i det moderne univers er glattere end teori forudsiger. Hvis eksplosionerne, der genbruger intergalaktisk gas, er mere energiske, end forskerne antog, som det nylige arbejde af Schaan, Amodeo og andre synes at antyde, at disse eksplosioner kunne være delvist ansvarlige for at have spredt stof mere jævnt over universet, sagde Colin Hill, en kosmolog ved Columbia University, som også arbejder med CMB-signaturer. I de kommende måneder planlægger Hill og kolleger ved Atacama Cosmology Telescope at afsløre et opdateret kort over CMB-skygger med et bemærkelsesværdigt spring i både himmeldækning og følsomhed.

"Vi er kun begyndt at ridse overfladen af, hvad du kan gøre med dette kort," sagde Hill. "Det er en sensationel forbedring i forhold til alt, der er kommet før. Det er svært at tro, at det er ægte."

Nuancer af det ukendte

CMB var et nøglebevis, der hjalp med at etablere standardmodellen for kosmologi - den centrale ramme, som forskere bruger til at forstå universets oprindelse, sammensætning og form. Men CMB-baggrundsbelysningsundersøgelserne truer nu med at stikke huller i den historie.

"Dette paradigme overlevede virkelig testen af ​​præcisionsmålinger - indtil for nylig," sagde Eiichiro Komatsu, en kosmolog ved Max Planck Institute for Astrophysics, der arbejdede på at etablere teorien som medlem af Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, som kortlagde CMB mellem 2001 og 2010. "Vi står muligvis ved en korsvej ... af en ny model af universet ."

I de sidste to år har Komatsu og kolleger undersøgt antydninger af en ny karakter på skyggeteaterscenen. Signalet vises i polariseringen eller orienteringen af ​​CMB-lysbølger, som standardmodellen for kosmologi siger, skal forblive konstant på bølgernes rejse gennem universet. Men som teoretiseret for tre årtier siden af ​​Sean Carroll og kolleger, at polarisering kunne roteres af et felt af mørkt stof, mørk energi eller en helt ny partikel. Et sådant felt ville få fotoner med forskellige polariseringer til at rejse med forskellige hastigheder og rotere lysets nettopolarisering, en egenskab kendt som "dobbeltbrydning", der deles af visse krystaller, såsom dem, der aktiverer LCD-skærme. I 2020, Komatsus team rapporterede fund en lille rotation i CMB's polarisering - omkring 0.35 grader. En opfølgende undersøgelse offentliggjort sidste år styrket det tidligere resultat.

Hvis polariseringsundersøgelsen el et andet resultat relateret til fordelingen af ​​galakser er bekræftet, ville det betyde, at universet ikke ser ens ud i alle retninger for alle observatører. For Hill og mange andre er begge resultater fristende, men endnu ikke endelige. Opfølgende undersøgelser er i gang for at undersøge disse hints og udelukke potentielle forvirrende effekter. Nogle har endda foreslået en dedikeret "baggrundslys astronomi" rumfartøj der ville yderligere inspicere de forskellige skygger.

"For fem til 10 år siden troede folk, at kosmologi var færdig," sagde Komatsu. "Det ændrer sig nu. Vi går ind i en ny æra.”