Alkuräjähdyksen jälkihehkun varjot paljastavat näkymättömiä kosmisia rakenteita

Melkein 400,000 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen vauvauniversumin ikiaikainen plasma jäähtyi tarpeeksi, jotta ensimmäiset atomit sulautuivat yhteen, mikä teki tilan upotetulle säteilylle nousta vapaaksi. Tuo valo – kosminen mikroaaltouunitausta (CMB) – virtaa edelleen taivaalla kaikkiin suuntiin lähettäen tilannekuvan varhaisesta maailmankaikkeudesta, joka on poimittu omistetuilla kaukoputkilla ja jopa paljastuu staattisena vanhoissa katodisädetelevisioissa.

Kun tutkijat löysivät CMB-säteilyn vuonna 1965, he kartoittivat huolellisesti sen pienet lämpötilavaihtelut, jotka kosmoksen tarkka tila kun se oli pelkkää vaahtoavaa plasmaa. Nyt he käyttävät uudelleen CMB-tietoja luetteloimaan laajamittaisia ​​rakenteita, jotka kehittyivät miljardien vuosien aikana maailmankaikkeuden kypsyessä.

"Tuo valo koki suurimman osan maailmankaikkeuden historiasta, ja näkemällä kuinka se on muuttunut, voimme oppia eri aikakausista", sanoi Kimmy Wu, kosmologi SLAC National Accelerator Laboratoryssa.

Lähes 14 miljardia vuotta kestäneen matkansa aikana CMB:n valoa on venyttänyt, puristanut ja vääntänyt kaikki tiellään. Kosmologit ovat alkaneet katsoa CMB-valon ensisijaisten vaihteluiden ulkopuolelle galaksien ja muiden kosmisten rakenteiden kanssa tapahtuvien vuorovaikutusten jättämiin toissijaisiin jälkiin. Näistä signaaleista he saavat tarkemman kuvan sekä tavallisen aineen – kaiken, mikä koostuu atomiosista – että salaperäisen pimeän aineen jakautumisesta. Nämä oivallukset puolestaan ​​auttavat ratkaisemaan joitain pitkäaikaisia ​​kosmologisia mysteereitä ja esittämään uusia.

”Ymmärrämme, että CMB ei kerro meille vain maailmankaikkeuden alkuolosuhteista. Se kertoo meille myös itse galakseista", sanoi Emmanuel Schaan, myös kosmologi SLAC:ssa. "Ja se osoittautuu todella voimakkaaksi."

Varjojen universumi

Tavalliset optiset tutkimukset, jotka seuraavat tähtien lähettämää valoa, jättävät huomioimatta suurimman osan galaksien alla olevasta massasta. Tämä johtuu siitä, että suurin osa maailmankaikkeuden kokonaisainesisällöstä on näkymätöntä teleskoopeille – piilotettuna näkyvistä joko pimeän aineen möykkyinä tai galakseja muodostavana ionisoituneena kaasuna. Mutta sekä pimeä aine että hajallaan oleva kaasu jättävät havaittavia jälkiä tulevan CMB-valon suurennukseen ja väriin.

"Universumi on todella varjoteatteri, jossa galaksit ovat päähenkilöitä ja CMB on taustavalo", Schaan sanoi.

Monet varjopelaajista ovat nyt helpottumassa.

Kun CMB:n valohiukkaset tai fotonit sirottavat pois elektroneja galaksien välisessä kaasussa, ne törmäävät korkeampiin energioihin. Lisäksi, jos galaksit ovat liikkeessä suhteessa laajenevaan universumiin, CMB-fotonit saavat toisen energiasiirtymän, joko ylös- tai alaspäin joukon suhteellisesta liikkeestä riippuen.

Tämä tehostepari, joka tunnetaan vastaavasti termisenä ja kinemaattisena Sunyaev-Zel'dovich (SZ) -efektinä, oli ensin teoretisoitu 1960-luvun lopulla, ja ne on havaittu kasvavalla tarkkuudella viimeisen vuosikymmenen aikana. Yhdessä SZ-efektit jättävät tyypillisen allekirjoituksen, joka voidaan irrottaa CMB-kuvista, jolloin tutkijat voivat kartoittaa kaiken universumin tavallisen aineen sijainnin ja lämpötilan.

Lopuksi kolmas efekti, joka tunnetaan nimellä heikko gravitaatiolinssi, vääntää CMB-valon reittiä sen kulkiessa massiivisten esineiden lähellä ja vääristää CMB:tä ikään kuin sitä katsottaisiin viinilasin pohjan läpi. Toisin kuin SZ-efektit, linssi on herkkä kaikelle aineelle - pimeydelle tai muulle.

Yhdessä nämä vaikutukset antavat kosmologille mahdollisuuden erottaa tavallisen aineen pimeästä aineesta. Sitten tiedemiehet voivat peittää nämä kartat galaksitutkimuksista saaduilla kuvilla mitatakseen kosmisia etäisyyksiä ja jopa jäljittää tähtien muodostumista.

In seuralainen paperit vuonna 2021 Schaanin ja Stefania Amodeo, joka on nyt Strasbourgin tähtitieteellisessä observatoriossa Ranskassa, otti tämän lähestymistavan käyttöön. He tutkivat Euroopan avaruusjärjestön CMB-tietoja Planck-satelliitti ja maapohjainen Atacama kosmologinen teleskooppi, sitten pinottu näiden karttojen päälle ylimääräinen optinen tutkimus lähes 500,000 XNUMX galaksista. Tekniikka antoi heille mahdollisuuden mitata tavallisen aineen ja pimeän aineen kohdistusta.

Analyysi osoitti, että alueen kaasu ei halannut sitä tukevaa pimeän aineen verkostoa niin tiukasti kuin monet mallit ennustivat. Sen sijaan se viittaa siihen, että supernovat ja lisääntyvät supermassiiviset mustat aukot pakottivat kaasun pois pimeän aineen solmuistaan ​​ja levittivät sen niin, että se oli liian ohutta ja kylmää tavanomaisten teleskooppien havaitsemiseen.

Hajaantuvan kaasun havaitseminen CMB-varjoissa on auttanut tutkijoita käsittelemään edelleen ns puuttuva baryoniongelma. Se on myös antanut arvioita leviävien räjähdysten voimakkuudesta ja lämpötilasta – tietoja, joita tutkijat käyttävät nyt tarkentaessaan galaksien evoluutiomallejaan ja maailmankaikkeuden laajamittaista rakennetta.

Viime vuosina kosmologit ovat olleet ymmällään siitä, että havaittu aineen jakautuminen nykyaikaisessa maailmankaikkeudessa on sujuvampaa kuin teoria ennustaa. Jos galaktista kaasua kierrättävät räjähdykset ovat energisempiä kuin tiedemiehet olettivat, kuten Schaanin, Amodeon ja muut näyttää viittaavan, että nämä räjähdykset voivat olla osittain vastuussa aineen levittämisestä tasaisemmin ympäri maailmankaikkeutta, sanoi Colin Hill, Columbian yliopiston kosmologi, joka työskentelee myös CMB-allekirjoitusten parissa. Tulevina kuukausina Hill ja kollegat Atacama Cosmology Telescopessa suunnittelevat julkaisevansa päivitetyn kartan CMB-varjoista, joissa on huomattava hyppy sekä taivaan peitossa että herkkyydessä.

"Olemme vasta alkaneet raapia pintaa, mitä voit tehdä tällä kartalla", Hill sanoi. "Se on sensaatiomainen parannus kaikkeen, mitä on tapahtunut. On vaikea uskoa, että se on totta."

Shades of the Unknown

CMB oli keskeinen todiste, joka auttoi luomaan kosmologian vakiomallin - keskeisen kehyksen, jota tutkijat käyttävät ymmärtääkseen maailmankaikkeuden alkuperää, koostumusta ja muotoa. Mutta CMB:n taustavalotutkimukset uhkaavat nyt tehdä reikiä tähän tarinaan.

"Tämä paradigma todella selvisi tarkkuusmittausten testistä - viime aikoihin asti", sanoi Eiichiro Komatsu, Max Planck Institute for Astrophysics -instituutin kosmologi, joka työskenteli teorian vahvistamiseksi Wilkinson Microwave Anisotropy Probe -koettimen jäsenenä, joka kartoi CMB:n vuosina 2001–2010. ”Saamme olla uuden maailmankaikkeuden mallin risteyksessä. .”

Viimeiset kaksi vuotta Komatsu ja kollegat ovat tutkineet vihjeitä uudesta hahmosta varjoteatterin näyttämöllä. Signaali näkyy CMB-valoaaltojen polarisaatiossa tai orientaatiossa, jonka kosmologian standardimallin mukaan pitäisi pysyä vakiona aaltojen matkalla universumin halki. Mutta kuten theorized kolme vuosikymmentä sitten Sean Carroll ja kollegat, että polarisaatio voisi pyörittää pimeän aineen, pimeän energian tai jonkin täysin uuden hiukkasen kentällä. Tällainen kenttä saattaisi eri polarisaatioilla omaavien fotonien kulkemaan eri nopeuksilla ja kiertämään valon nettopolarisaatiota, ominaisuutta, joka tunnetaan nimellä "kaksitaitus", joka on yhteinen tietyille kiteille, kuten ne, jotka mahdollistavat LCD-näytöt. Vuonna 2020 Komatsun tiimi raportoitu löydös pieni kierto CMB:n polarisaatiossa - noin 0.35 astetta. Jatkotutkimus julkaistiin viime vuonna vahvisti aikaisempaa tulosta.

Jos polarisaatiotutkimus tai toinen tulos galaksien jakautumiseen liittyvä vahvistus, se merkitsisi, että maailmankaikkeus ei näytä samalta kaikkiin suuntiin kaikkien havaintojen kannalta. Hillille ja monille muille molemmat tulokset ovat houkuttelevia, mutta eivät vielä lopullisia. Seurantatutkimuksia on meneillään näiden vihjeiden tutkimiseksi ja mahdollisten hämmentävien vaikutusten sulkemiseksi pois. Jotkut ovat jopa ehdottaneet omistettua "taustavalotähtitieteen" avaruusalus joka tarkastaisi edelleen erilaisia ​​varjoja.

"Viisi-10 vuotta sitten ihmiset luulivat, että kosmologia oli tehty", Komatsu sanoi. "Se on nyt muuttumassa. Olemme siirtymässä uuteen aikakauteen.”