Schatten im Urknall-Nachglühen enthüllen unsichtbare kosmische Strukturen

Fast 400,000 Jahre nach dem Urknall kühlte sich das Urplasma des jungen Universums so weit ab, dass die ersten Atome verschmelzen und Platz für die eingebettete Strahlung schaffen konnten, um frei aufzusteigen. Dieses Licht – der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) – strömt weiterhin in alle Richtungen durch den Himmel und sendet einen Schnappschuss des frühen Universums, der von speziellen Teleskopen aufgenommen und sogar in der Statik alter Kathodenstrahlfernseher gezeigt wird.

Nachdem Wissenschaftler 1965 die CMB-Strahlung entdeckt hatten, kartierten sie akribisch ihre winzigen Temperaturschwankungen, die angezeigt wurden der genaue Zustand des Kosmos als es nur ein schäumendes Plasma war. Jetzt verwenden sie CMB-Daten um, um die großräumigen Strukturen zu katalogisieren, die sich über Milliarden von Jahren entwickelt haben, als das Universum reifte.

„Dieses Licht hat einen Großteil der Geschichte des Universums erlebt, und wenn wir sehen, wie es sich verändert hat, können wir etwas über verschiedene Epochen lernen“, sagte er Kimmy Wu, ein Kosmologe am SLAC National Accelerator Laboratory.

Im Laufe seiner fast 14 Milliarden Jahre langen Reise wurde das Licht des CMB von all der Materie auf seinem Weg gedehnt, gequetscht und verzerrt. Kosmologen beginnen, über die primären Fluktuationen im CMB-Licht hinaus auf die sekundären Abdrücke zu blicken, die durch Wechselwirkungen mit Galaxien und anderen kosmischen Strukturen hinterlassen werden. Aus diesen Signalen gewinnen sie einen schärferen Blick auf die Verteilung sowohl der gewöhnlichen Materie – alles, was aus atomaren Teilen besteht – als auch der mysteriösen Dunklen Materie. Diese Erkenntnisse wiederum tragen dazu bei, einige seit langem bestehende kosmologische Rätsel zu lösen und einige neue aufzuwerfen.

„Wir erkennen, dass das CMB uns nicht nur etwas über die Anfangsbedingungen des Universums sagt. Es sagt uns auch etwas über die Galaxien selbst“, sagte er Emmanuel Schaan, ebenfalls Kosmologe am SLAC. „Und das erweist sich als sehr mächtig.“

Ein Universum der Schatten

Optische Standardvermessungen, die das von Sternen emittierte Licht verfolgen, übersehen den größten Teil der zugrunde liegenden Masse der Galaxien. Das liegt daran, dass die überwiegende Mehrheit des gesamten Materiegehalts des Universums für Teleskope unsichtbar ist – entweder als Klumpen dunkler Materie oder als diffuses ionisiertes Gas, das Galaxien überbrückt. Aber sowohl die dunkle Materie als auch das verstreute Gas hinterlassen nachweisbare Spuren in der Vergrößerung und Farbe des einfallenden CMB-Lichts.

„Das Universum ist wirklich ein Schattentheater, in dem die Galaxien die Protagonisten sind und das CMB das Hintergrundlicht ist“, sagte Schaan.

Viele der Schattenspieler kommen jetzt in Erleichterung.

Wenn Lichtteilchen oder Photonen vom CMB Elektronen im Gas zwischen Galaxien streuen, werden sie auf höhere Energien gestoßen. Wenn sich diese Galaxien in Bezug auf das expandierende Universum bewegen, erhalten die CMB-Photonen außerdem eine zweite Energieverschiebung, entweder nach oben oder nach unten, abhängig von der relativen Bewegung des Haufens.

Dieses Paar von Effekten, die als thermische und kinematische Sunyaev-Zel'dovich (SZ)-Effekte bekannt sind, waren zunächst theoretisiert in den späten 1960er Jahren und wurden in den letzten zehn Jahren mit zunehmender Genauigkeit nachgewiesen. Zusammen hinterlassen die SZ-Effekte eine charakteristische Signatur, die aus CMB-Bildern herausgearbeitet werden kann und es Wissenschaftlern ermöglicht, den Ort und die Temperatur aller gewöhnlichen Materie im Universum zu kartieren.

Schließlich verzerrt ein dritter Effekt, der als schwache Gravitationslinse bekannt ist, den Weg des CMB-Lichts, wenn es sich in der Nähe massiver Objekte bewegt, und verzerrt das CMB, als ob es durch den Boden eines Weinglases betrachtet würde. Im Gegensatz zu den SZ-Effekten ist Lensing für alle Materie empfindlich – ob dunkel oder nicht.

Zusammengenommen erlauben es diese Effekte den Kosmologen, die gewöhnliche Materie von der dunklen Materie zu trennen. Dann können Wissenschaftler diese Karten mit Bildern aus Galaxiendurchmusterungen überlagern, um kosmische Entfernungen und sogar zu messen Sternentstehung verfolgen.

In Begleiter Papiere 2021 ein Team unter der Leitung von Schaan und Stefanie Amodeo, der jetzt am Straßburger Astronomischen Observatorium in Frankreich arbeitet, hat diesen Ansatz in die Tat umgesetzt. Sie untersuchten CMB-Daten der Europäischen Weltraumorganisation Planck-Satellit und die bodengebundenen Atacama-Kosmologie-Teleskop, dann über diese Karten eine zusätzliche optische Untersuchung von fast 500,000 Galaxien gestapelt. Die Technik ermöglichte es ihnen, die Ausrichtung von gewöhnlicher Materie und dunkler Materie zu messen.

Die Analyse zeigte, dass das Gas der Region sein unterstützendes Netzwerk aus dunkler Materie nicht so fest umarmte, wie viele Modelle vorhergesagt hatten. Stattdessen deutet es darauf hin, dass Explosionen von Supernovas und akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern das Gas von seinen Knoten der Dunklen Materie weggedrängt und es so verteilt haben, dass es zu dünn und kalt war, als dass es mit herkömmlichen Teleskopen entdeckt werden könnte.

Das Erkennen dieses diffusen Gases in CMB-Schatten hat den Wissenschaftlern geholfen, die sogenannte Problem mit fehlenden Baryonen. Es hat auch Schätzungen für die Stärke und Temperatur der sich ausbreitenden Explosionen geliefert – Daten, die Wissenschaftler jetzt verwenden, um ihre Modelle der Galaxienentwicklung und der großräumigen Struktur des Universums zu verfeinern.

In den letzten Jahren waren Kosmologen verwirrt über die Tatsache, dass die beobachtete Verteilung der Materie im modernen Universum so ist glatter als die Theorie vorhersagt. Wenn die Explosionen, die intergalaktische Gase recyceln, energetischer sind als Wissenschaftler angenommen haben, wie die jüngsten Arbeiten von Schaan, Amodeo und Extras scheint darauf hinzudeuten, dass diese Explosionen teilweise dafür verantwortlich sein könnten, dass Materie gleichmäßiger über das Universum verteilt wurde, sagte Colin Hügel, ein Kosmologe an der Columbia University, der auch an CMB-Signaturen arbeitet. In den kommenden Monaten planen Hill und Kollegen am Atacama Cosmology Telescope, eine aktualisierte Karte der CMB-Schatten mit einem bemerkenswerten Anstieg sowohl der Himmelsabdeckung als auch der Empfindlichkeit zu enthüllen.

„Wir haben erst begonnen, an der Oberfläche dessen zu kratzen, was man mit dieser Karte machen kann“, sagte Hill. „Es ist eine sensationelle Verbesserung gegenüber allem, was zuvor kam. Es ist schwer zu glauben, dass es echt ist.“

Schatten des Unbekannten

Das CMB war ein wichtiger Beweis, der dazu beitrug, das Standardmodell der Kosmologie zu etablieren – das zentrale Gerüst, das Forscher verwenden, um den Ursprung, die Zusammensetzung und die Form des Universums zu verstehen. Aber die CMB-Hintergrundbeleuchtungsstudien drohen nun, Löcher in diese Geschichte zu stechen.

„Dieses Paradigma hat den Test der Präzisionsmessungen wirklich überstanden – bis vor kurzem“, sagte Eiichiro Komatsu, ein Kosmologe am Max-Planck-Institut für Astrophysik, der als Mitglied der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, die den CMB zwischen 2001 und 2010 kartierte, an der Etablierung der Theorie arbeitete. „Wir stehen möglicherweise am Scheideweg … eines neuen Modells des Universums .“

In den letzten zwei Jahren haben Komatsu und seine Kollegen Hinweise auf eine neue Figur auf der Bühne des Schattentheaters untersucht. Das Signal erscheint in der Polarisation oder Ausrichtung von CMB-Lichtwellen, die laut Standardmodell der Kosmologie auf der Reise der Wellen durch das Universum konstant bleiben sollten. Aber theoretisiert Vor drei Jahrzehnten von Sean Carroll und Kollegen konnte diese Polarisation durch ein Feld aus dunkler Materie, dunkler Energie oder einem völlig neuen Teilchen gedreht werden. Ein solches Feld würde Photonen unterschiedlicher Polarisationen dazu bringen, sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortzubewegen und die Nettopolarisation des Lichts zu drehen, eine Eigenschaft, die als „Doppelbrechung“ bekannt ist und von bestimmten Kristallen geteilt wird, beispielsweise von denen, die LCD-Bildschirme ermöglichen. Im Jahr 2020 das Team von Komatsu Fund gemeldet eine winzige Drehung in der Polarisation des CMB – etwa 0.35 Grad. Eine Folgestudie letztes Jahr veröffentlicht verstärkte dieses frühere Ergebnis.

Wenn die Polarisationsstudie bzw ein weiteres Ergebnis im Zusammenhang mit der Verteilung der Galaxien bestätigt wird, würde dies implizieren, dass das Universum nicht für alle Beobachter in allen Richtungen gleich aussieht. Für Hill und viele andere sind beide Ergebnisse verlockend, aber noch nicht endgültig. Folgestudien sind im Gange, um diese Hinweise zu untersuchen und mögliche Störeffekte auszuschließen. Einige haben sogar eine dedizierte vorgeschlagen „Backlight Astronomy“-Raumsonde das würde die verschiedenen Schatten weiter inspizieren.

„Vor fünf bis zehn Jahren dachten die Leute, die Kosmologie sei erledigt“, sagte Komatsu. „Das ändert sich jetzt. Wir treten in eine neue Ära ein.“