Οι σκιές στη λάμψη του Big Bang αποκαλύπτουν αόρατες κοσμικές δομές

Σχεδόν 400,000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το αρχέγονο πλάσμα του βρεφικού σύμπαντος ψύχθηκε αρκετά ώστε τα πρώτα άτομα να συνενωθούν, δημιουργώντας χώρο για την ενσωματωμένη ακτινοβολία να πετάξει στα ύψη. Αυτό το φως - το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) - συνεχίζει να ρέει μέσω του ουρανού προς όλες τις κατευθύνσεις, μεταδίδοντας ένα στιγμιότυπο του πρώιμου σύμπαντος που συλλαμβάνεται από ειδικά τηλεσκόπια και αποκαλύπτεται ακόμη και στο στατικό σε παλιές τηλεοράσεις καθοδικών ακτίνων.

Αφού οι επιστήμονες ανακάλυψαν την ακτινοβολία CMB το 1965, χαρτογράφησαν σχολαστικά τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, οι οποίες εμφανίστηκαν την ακριβή κατάσταση του σύμπαντος όταν ήταν ένα απλό πλάσμα που αφρίζει. Τώρα επαναχρησιμοποιούν δεδομένα CMB για να καταλογίσουν τις δομές μεγάλης κλίμακας που αναπτύχθηκαν επί δισεκατομμύρια χρόνια καθώς το σύμπαν ωρίμαζε.

«Αυτό το φως γνώρισε ένα μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του σύμπαντος και βλέποντας πώς έχει αλλάξει, μπορούμε να μάθουμε για διαφορετικές εποχές», είπε. Kimmy Wu, κοσμολόγος στο SLAC National Accelerator Laboratory.

Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του σχεδόν 14 δισεκατομμυρίων ετών, το φως από το CMB έχει τεντωθεί, συμπιεστεί και παραμορφωθεί από όλο το υλικό στο δρόμο του. Οι κοσμολόγοι αρχίζουν να κοιτάζουν πέρα ​​από τις πρωταρχικές διακυμάνσεις στο φως CMB στα δευτερεύοντα αποτυπώματα που αφήνουν οι αλληλεπιδράσεις με τους γαλαξίες και άλλες κοσμικές δομές. Από αυτά τα σήματα, αποκτούν μια πιο καθαρή εικόνα της κατανομής τόσο της συνηθισμένης ύλης — ό,τι αποτελείται από ατομικά μέρη — όσο και της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης. Με τη σειρά τους, αυτές οι ιδέες βοηθούν να διευθετηθούν ορισμένα μακροχρόνια κοσμολογικά μυστήρια και να τεθούν ορισμένα νέα.

«Συνειδητοποιούμε ότι το CMB δεν μας λέει μόνο για τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος. Μας λέει επίσης για τους ίδιους τους γαλαξίες», είπε Emmanuel Schaan, επίσης κοσμολόγος στο SLAC. «Και αυτό αποδεικνύεται πολύ δυνατό».

Ένα Σύμπαν από Σκιές

Οι τυπικές οπτικές έρευνες, οι οποίες παρακολουθούν το φως που εκπέμπεται από τα αστέρια, παραβλέπουν το μεγαλύτερο μέρος της υποκείμενης μάζας των γαλαξιών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η συντριπτική πλειονότητα του συνολικού περιεχομένου ύλης του σύμπαντος είναι αόρατη στα τηλεσκόπια - κρυμμένο εκτός οπτικού πεδίου είτε ως συστάδες σκοτεινής ύλης είτε ως το διάχυτο ιονισμένο αέριο που γεφυρώνει τους γαλαξίες. Αλλά τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και το διασκορπισμένο αέριο αφήνουν ανιχνεύσιμα αποτυπώματα στη μεγέθυνση και το χρώμα του εισερχόμενου φωτός CMB.

«Το σύμπαν είναι πραγματικά ένα θέατρο σκιών στο οποίο οι γαλαξίες είναι οι πρωταγωνιστές και το CMB είναι ο οπίσθιος φωτισμός», είπε ο Schaan.

Πολλοί από τους σκιώδεις παίκτες έρχονται τώρα σε ανακούφιση.

Όταν σωματίδια φωτός, ή φωτόνια, από το CMB διασκορπίζουν ηλεκτρόνια στο αέριο μεταξύ των γαλαξιών, προσκρούονται σε υψηλότερες ενέργειες. Επιπλέον, εάν αυτοί οι γαλαξίες βρίσκονται σε κίνηση σε σχέση με το διαστελλόμενο σύμπαν, τα φωτόνια CMB λαμβάνουν μια δεύτερη ενεργειακή μετατόπιση, είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω, ανάλογα με τη σχετική κίνηση του σμήνος.

Αυτό το ζεύγος επιδράσεων, γνωστά αντίστοιχα ως θερμικές και κινηματικές επιδράσεις Sunyaev-Zel'dovich (SZ), ήταν πρώτη θεωρητικοποιήθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και έχουν εντοπιστεί με αυξανόμενη ακρίβεια την τελευταία δεκαετία. Μαζί, τα εφέ SZ αφήνουν μια χαρακτηριστική υπογραφή που μπορεί να πειραχθεί από εικόνες CMB, επιτρέποντας στους επιστήμονες να χαρτογραφήσουν τη θέση και τη θερμοκρασία όλης της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν.

Τέλος, ένα τρίτο φαινόμενο γνωστό ως ασθενής βαρυτικός φακός παραμορφώνει τη διαδρομή του φωτός CMB καθώς ταξιδεύει κοντά σε τεράστια αντικείμενα, παραμορφώνοντας το CMB σαν να το βλέπαμε μέσα από τη βάση ενός ποτηριού κρασιού. Σε αντίθεση με τα εφέ SZ, ο φακός είναι ευαίσθητος σε όλη την ύλη — σκοτεινή ή άλλη.

Συνολικά, αυτά τα φαινόμενα επιτρέπουν στους κοσμολόγους να διαχωρίσουν τη συνηθισμένη ύλη από τη σκοτεινή ύλη. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες μπορούν να επικαλύψουν αυτούς τους χάρτες με εικόνες από έρευνες γαλαξιών για να μετρήσουν κοσμικές αποστάσεις και ακόμη ίχνος σχηματισμού αστεριών.

In companion χαρτιά το 2021, μια ομάδα με επικεφαλής τον Schaan και Stefania Amodeo, ο οποίος βρίσκεται τώρα στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο του Στρασβούργου στη Γαλλία, έβαλε αυτή την προσέγγιση σε εφαρμογή. Εξέτασαν δεδομένα CMB που ελήφθησαν από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος Δορυφόρος Planck και το επίγειο Τηλεσκόπιο Κοσμολογίας Atacama, στη συνέχεια στοίβαξε πάνω από αυτούς τους χάρτες μια πρόσθετη οπτική έρευνα με σχεδόν 500,000 γαλαξίες. Η τεχνική τους επέτρεψε να μετρήσουν την ευθυγράμμιση της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ύλης.

Η ανάλυση έδειξε ότι το φυσικό αέριο της περιοχής δεν αγκάλιασε το υποστηρικτικό δίκτυο της σκοτεινής ύλης τόσο σφιχτά όσο προέβλεπαν πολλά μοντέλα. Αντίθετα, υποδηλώνει ότι εκρήξεις από σουπερνόβα και συσσωρευόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ανάγκασαν το αέριο να απομακρυνθεί από τους κόμβους της σκοτεινής ύλης του, απλώνοντάς το έτσι ώστε να ήταν πολύ λεπτό και κρύο για να το ανιχνεύσουν τα συμβατικά τηλεσκόπια.

Η εντόπιση αυτού του διάχυτου αερίου στις σκιές CMB βοήθησε τους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν περαιτέρω το λεγόμενο πρόβλημα βαρυονίων που λείπουν. Παρείχε επίσης εκτιμήσεις για τη δύναμη και τη θερμοκρασία των εκρήξεων διασποράς - δεδομένα που χρησιμοποιούν τώρα οι επιστήμονες για να βελτιώσουν τα μοντέλα τους για την εξέλιξη των γαλαξιών και τη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος.

Τα τελευταία χρόνια, οι κοσμολόγοι έχουν προβληματιστεί από το γεγονός ότι η παρατηρούμενη κατανομή της ύλης στο σύγχρονο σύμπαν είναι πιο ομαλή από όσο προβλέπει η θεωρία. Εάν οι εκρήξεις που ανακυκλώνουν το διαγαλαξιακό αέριο είναι πιο ενεργητικές από ό,τι υπέθεσαν οι επιστήμονες, όπως η πρόσφατη εργασία των Schaan, Amodeo και άλλοι φαίνεται να υποδηλώνει ότι αυτές οι εκρήξεις θα μπορούσαν να είναι εν μέρει υπεύθυνες για την εξάπλωση της ύλης πιο ομοιόμορφα σε όλο το σύμπαν, είπε Κόλιν Χιλ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια που εργάζεται επίσης στις υπογραφές CMB. Τους επόμενους μήνες, ο Hill και οι συνεργάτες του στο Τηλεσκόπιο Κοσμολογίας Atacama σχεδιάζουν να αποκαλύψουν έναν ενημερωμένο χάρτη σκιών CMB με αξιοσημείωτο άλμα τόσο στην κάλυψη όσο και στην ευαισθησία του ουρανού.

"Μόλις αρχίσαμε να ξύνουμε την επιφάνεια του τι μπορείτε να κάνετε με αυτόν τον χάρτη", είπε ο Hill. «Είναι μια εντυπωσιακή βελτίωση σε σχέση με οτιδήποτε έχει προηγηθεί. Είναι δύσκολο να πιστέψεις ότι είναι αληθινό».

Αποχρώσεις του Αγνώστου

Το CMB ήταν ένα βασικό αποδεικτικό στοιχείο που βοήθησε στην καθιέρωση του καθιερωμένου μοντέλου της κοσμολογίας - του κεντρικού πλαισίου που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για να κατανοήσουν την προέλευση, τη σύνθεση και το σχήμα του σύμπαντος. Αλλά οι μελέτες οπίσθιου φωτισμού CMB απειλούν τώρα να ανοίξουν τρύπες σε αυτή την ιστορία.

"Αυτό το παράδειγμα επιβίωσε πραγματικά από τη δοκιμή των μετρήσεων ακριβείας - μέχρι πρόσφατα", είπε Eiichiro Komatsu, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck που εργάστηκε για να θεμελιώσει τη θεωρία ως μέλος του ανιχνευτή ανισοτροπίας μικροκυμάτων Wilkinson, ο οποίος χαρτογράφησε το CMB μεταξύ 2001 και 2010. «Μπορεί να βρισκόμαστε στο σταυροδρόμι… ενός νέου μοντέλου του σύμπαντος .»

Τα τελευταία δύο χρόνια, ο Komatsu και οι συνεργάτες του ερευνούν υπαινιγμούς για έναν νέο χαρακτήρα στη σκηνή του θεάτρου σκιών. Το σήμα εμφανίζεται στην πόλωση ή τον προσανατολισμό των κυμάτων φωτός CMB, τα οποία σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας θα πρέπει να παραμένουν σταθερά στο ταξίδι των κυμάτων στο σύμπαν. Αλλά όπως θεωρητικά Πριν από τρεις δεκαετίες από τον Sean Carroll και τους συνεργάτες του, αυτή η πόλωση θα μπορούσε να περιστραφεί από ένα πεδίο σκοτεινής ύλης, σκοτεινής ενέργειας ή κάποιο εντελώς νέο σωματίδιο. Ένα τέτοιο πεδίο θα αναγκάσει φωτόνια διαφορετικών πόλωσης να ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες και να περιστρέφουν την καθαρή πόλωση του φωτός, μια ιδιότητα γνωστή ως «διθλάση» που μοιράζονται ορισμένοι κρύσταλλοι, όπως αυτοί που ενεργοποιούν τις οθόνες LCD. Το 2020 η ομάδα του Komatsu αναφέρθηκε εύρημα μια μικροσκοπική περιστροφή στην πόλωση του CMB — περίπου 0.35 μοίρες. Μια μελέτη παρακολούθησης που δημοσιεύθηκε πέρυσι ενίσχυσε το προηγούμενο αποτέλεσμα.

Εάν η μελέτη πόλωσης ή άλλο αποτέλεσμα που σχετίζεται με την κατανομή των γαλαξιών επιβεβαιώνεται, θα σήμαινε ότι το σύμπαν δεν φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις σε όλους τους παρατηρητές. Για τον Hill και πολλούς άλλους, και τα δύο αποτελέσματα είναι δελεαστικά αλλά όχι ακόμη οριστικά. Μελέτες παρακολούθησης βρίσκονται σε εξέλιξη για να διερευνηθούν αυτές οι υποδείξεις και να αποκλειστούν πιθανές συγχυτικές επιπτώσεις. Μερικοί έχουν προτείνει ακόμη και ένα αφιερωμένο Διαστημόπλοιο «αστρονομίας με οπίσθιο φωτισμό». που θα επιθεωρούσε περαιτέρω τις διάφορες σκιές.

«Πριν από πέντε έως δέκα χρόνια, οι άνθρωποι πίστευαν ότι η κοσμολογία είχε γίνει», είπε ο Komatsu. «Αυτό αλλάζει τώρα. Μπαίνουμε σε μια νέα εποχή».