Az ősrobbanás árnyékai, utófénye láthatatlan kozmikus struktúrákat tár fel

Közel 400,000 XNUMX évvel az Ősrobbanás után a csecsemő-univerzum ősplazmája eléggé lehűlt ahhoz, hogy az első atomok egyesüljenek, így szabaddá vált a beágyazott sugárzás szárnyalása. Ez a fény – a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) – továbbra is átáramlik az égen minden irányban, pillanatfelvételt sugározva a korai univerzumról, amelyet külön teleszkópok vettek fel, és még a régi katódsugaras televíziók statikus képében is megmutatkoztak.

Miután a tudósok 1965-ben felfedezték a CMB sugárzást, aprólékos hőmérsékleti ingadozásait alaposan feltérképezték, ami a kozmosz pontos állapota amikor pusztán habzó plazma volt. Most újrahasznosítják a CMB-adatokat, hogy katalogizálják azokat a nagyméretű struktúrákat, amelyek az univerzum érése során évmilliárdok alatt fejlődtek ki.

"Ez a fény átélte az univerzum történetének nagy részét, és ha látjuk, hogyan változott, különböző korszakokat ismerhetünk meg" - mondta. Kimmy Wu, a SLAC National Accelerator Laboratory kozmológusa.

Közel 14 milliárd éves útja során a CMB fényét minden útjában lévő anyag megnyújtotta, összenyomta és elvetemítette. A kozmológusok a CMB-fény elsődleges ingadozásain túl kezdenek tekinteni a galaxisokkal és más kozmikus struktúrákkal való kölcsönhatások másodlagos lenyomataira. Ezekből a jelekből élesebb képet kapnak mind a közönséges anyag – mindaz, ami atomi részekből áll – és a titokzatos sötét anyag eloszlásáról. Ezek a felismerések viszont segítenek megoldani néhány régóta fennálló kozmológiai rejtélyt, és újakat is feltárni.

„Tisztában vagyunk azzal, hogy a CMB nem csak az univerzum kezdeti körülményeiről mesél. Magukról a galaxisokról is mesél” – mondta Emmanuel Schaan, szintén a SLAC kozmológusa. – És ez nagyon erősnek bizonyul.

Az Árnyak univerzuma

A csillagok által kibocsátott fényt nyomon követő szabványos optikai felmérések figyelmen kívül hagyják a galaxisok mögöttes tömegének nagy részét. Ennek az az oka, hogy az univerzum teljes anyagtartalmának túlnyomó többsége láthatatlan a teleszkópok számára – vagy sötét anyag csomókként vagy a galaxisokat áthidaló diffúz ionizált gázként rejtve el a szem elől. De mind a sötét anyag, mind a szétszórt gáz észlelhető nyomokat hagy a beérkező CMB-fény nagyításában és színében.

„Az univerzum valójában egy árnyékszínház, amelyben a galaxisok a főszereplők, és a CMB a háttérvilágítás” – mondta Schaan.

Sok árnyékjátékos most megkönnyebbül.

Amikor a CMB-ből származó fényrészecskék vagy fotonok szétszórják az elektronokat a gázban a galaxisok között, nagyobb energiákba ütköznek. Ezenkívül, ha ezek a galaxisok mozgásban vannak a táguló univerzumhoz képest, a CMB fotonok egy második energiaeltolódást kapnak, felfelé vagy lefelé, a halmaz relatív mozgásától függően.

Ez a pár hatás, amelyet termikus és kinematikus Sunyaev-Zel'dovich (SZ) hatásként ismerünk, először elméletileg az 1960-as évek végén, és az elmúlt évtizedben egyre nagyobb pontossággal észlelték. Az SZ-effektusok együttesen olyan jellegzetes jelzést hagynak maguk után, amelyet ki lehet ugratni a CMB-képekből, lehetővé téve a tudósok számára, hogy feltérképezzék a világegyetem összes közönséges anyagának helyét és hőmérsékletét.

Végül egy harmadik hatás, amelyet gyenge gravitációs lencséknek neveznek, meggörbíti a CMB-fény útját, amikor az hatalmas objektumok közelében halad, és eltorzítja a CMB-t, mintha egy borospohár alján keresztül néznék. Az SZ-effektusokkal ellentétben a lencse érzékeny minden anyagra – sötétre vagy másra.

Összességében ezek a hatások lehetővé teszik a kozmológusok számára, hogy elkülönítsék a közönséges anyagot a sötét anyagtól. Ezután a tudósok beboríthatják ezeket a térképeket galaxisfelmérésekből származó képekkel, hogy felmérjék a kozmikus távolságokat, sőt akár csillagkeletkezés nyoma.

In társ papírok 2021-ben egy csapat Schaan és Stefánia Amodeo, aki jelenleg a franciaországi Strasbourgi Csillagászati ​​Obszervatóriumban dolgozik, ezt a megközelítést bevetette. Megvizsgálták az Európai Űrügynökség által vett CMB-adatokat Planck műhold és a földi Atacama kozmológiai teleszkóp, majd a térképek tetejére egy további optikai felmérést tettek fel közel 500,000 XNUMX galaxisra. A technika lehetővé tette számukra, hogy megmérjék a közönséges anyag és a sötét anyag egymáshoz illeszkedését.

Az elemzés kimutatta, hogy a régió gáza nem ölelte át olyan szorosan a sötétanyag-hálózatot, mint ahogy azt sok modell jósolta. Ehelyett azt sugallja, hogy a szupernóvák robbanásai és a felszaporodó szupermasszív fekete lyukak eltávolították a gázt a sötét anyag csomópontjaitól, és úgy terítették el, hogy túl vékony és hideg volt ahhoz, hogy a hagyományos teleszkópok észleljék.

Ennek a diffúz gáznak a CMB árnyékában történő észlelése segített a tudósoknak abban, hogy tovább foglalkozzanak az ún hiányzó baryon probléma. Becslésekkel is szolgált a szétszóródó robbanások erősségére és hőmérsékletére vonatkozóan – adatok, amelyeket a tudósok most a galaxisfejlődési modelljeik és az univerzum nagy léptékű szerkezetének finomításához használnak.

Az elmúlt években a kozmológusokat zavarba hozta az a tény, hogy az anyag megfigyelt eloszlása ​​a modern univerzumban simább, mint azt az elmélet megjósolja. Ha az intergalaktikus gázt újrahasznosító robbanások energikusabbak, mint azt a tudósok feltételezték, ahogy Schaan, Amodeo és mások azt sugallja, hogy ezek a robbanások részben felelősek lehetnek az anyag egyenletesebb eloszlásáért az univerzumban, mondta Colin Hill, a Columbia Egyetem kozmológusa, aki szintén CMB aláírásokkal dolgozik. Az elkövetkező hónapokban Hill és munkatársai az Atacama Cosmology Telescope-nál azt tervezik, hogy bemutatják a CMB árnyékok frissített térképét, amely jelentős ugrást tesz lehetővé mind az égbolt lefedettségében, mind az érzékenységében.

„Még csak a felszínt kezdtük megkarcolni, mit lehet tenni ezzel a térképpel” – mondta Hill. „Ez egy szenzációs előrelépés bármihez képest, ami korábban történt. Nehéz elhinni, hogy ez valódi.”

Az ismeretlen árnyalatai

A CMB kulcsfontosságú bizonyíték volt, amely segített létrehozni a kozmológia standard modelljét – azt a központi keretet, amelyet a kutatók az univerzum eredetének, összetételének és alakjának megértéséhez használnak. De a CMB háttérvilágítási tanulmányai most azzal fenyegetnek, hogy lyukat szúrnak a történetbe.

„Ez a paradigma valóban túlélte a precíziós mérések próbáját – egészen a közelmúltig” – mondta Eiichiro Komatsu, a Max Planck Asztrofizikai Intézet kozmológusa, aki a Wilkinson Mikrohullámú Anizotrópia Szonda tagjaként dolgozott az elmélet kialakításán, amely 2001 és 2010 között feltérképezte a CMB-t. .”

Az elmúlt két évben Komatsu és munkatársai az árnyékszínházi színpadon új karakterre utaló jeleket vizsgáltak. A jel a CMB fényhullámok polarizációjában vagy orientációjában jelenik meg, aminek a kozmológia standard modellje szerint állandónak kell maradnia a hullámok világegyetemen való utazása során. De mint elméletbe Három évtizeddel ezelőtt Sean Carroll és munkatársai azt a következtetést vonták le, hogy a polarizációt egy sötét anyag, sötét energia vagy valamilyen teljesen új részecske mező forgathatja. Egy ilyen mező hatására a különböző polarizációjú fotonok különböző sebességgel haladnának, és elforgatnák a fény nettó polarizációját, ezt a „kettős törésnek” nevezett tulajdonságot, amely bizonyos kristályokon, például az LCD-képernyőket lehetővé tevő kristályokon osztozik. 2020-ban a Komatsu csapata leletről számolt be egy apró elfordulás a CMB polarizációjában – körülbelül 0.35 fok. Nyomon követési tanulmány tavaly megjelent megerősítette a korábbi eredményt.

Ha a polarizációs vizsgálat ill újabb eredmény A galaxisok eloszlásával kapcsolatos tények megerősítést nyernek, ez azt jelentené, hogy az univerzum nem tűnik minden irányban egyformának minden megfigyelő számára. Hill és sokan mások számára mindkét eredmény lenyűgöző, de még nem végleges. Folynak a nyomon követési vizsgálatok, hogy megvizsgálják ezeket a tippeket és kizárják a lehetséges zavaró hatásokat. Néhányan még egy dedikált programot is javasoltak „háttérvilágítású csillagászat” űrhajó amely tovább vizsgálná a különféle árnyékokat.

„Öt-tíz évvel ezelőtt az emberek azt hitték, hogy a kozmológia elkészült” – mondta Komatsu. „Ez most változik. Új korszakba lépünk.”