ビッグバンの残光の影は目に見えない宇宙構造を明らかにする

ビッグバンから約 400,000 年後、初期の宇宙の原始プラズマは、最初の原子が合体するのに十分なほど冷却され、埋め込まれた放射線が自由に舞い上がるためのスペースを作りました。 その光 — 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) — は空をあらゆる方向に流れ続け、初期の宇宙のスナップショットを放映し、専用の望遠鏡で拾い上げ、古いブラウン管テレビの静止画でさえ明らかにしました。

科学者は 1965 年に CMB 放射を発見した後、その小さな温度変化を綿密にマッピングしました。 宇宙の正確な状態 それが単なる泡立つプラズマだったとき。 現在、宇宙が成熟するにつれて数十億年にわたって発達した大規模な構造をカタログ化するために、CMB データを再利用しています。

「その光は宇宙の歴史の大部分を経験しており、それがどのように変化したかを見ることで、さまざまな時代について学ぶことができます。」 キミー・ウー、SLAC国立加速器研究所の宇宙学者。

ほぼ 14 億年の旅の過程で、CMB からの光は、途中のすべての物質によって引き伸ばされ、圧迫され、歪められてきました。 宇宙学者は、CMB 光の一次変動を超えて、銀河や他の宇宙構造との相互作用によって残された二次痕跡に目を向け始めています。 これらの信号から、彼らは通常の物質 (原子の部分で構成されているすべてのもの) と神秘的な暗黒物質の両方の分布をより明確に把握しています。 ひいては、これらの洞察は、長年にわたる宇宙の謎を解決し、いくつかの新しい謎を提起するのに役立っています。

「私たちは、CMB が宇宙の初期状態について教えてくれるだけではないことを認識しています。 また、銀河そのものについても教えてくれます。」 エマニュエル・シャーン、SLAC の宇宙学者でもあります。 「そして、それは本当に強力であることが判明しました。」

影の宇宙

恒星が発する光を追跡する標準的な光学調査では、銀河の根底にある質量のほとんどを見落としています。 これは、宇宙の総物質量の大部分が望遠鏡では見えないためです。つまり、暗黒物質の塊として、または銀河を橋渡しする拡散した電離ガスとして見えなくなります。 しかし、暗黒物質と散らばったガスの両方が、入ってくる CMB 光の倍率と色に検出可能な痕跡を残します。

「宇宙は実際には、銀河が主役であり、CMB がバックライトである影の劇場です」とシャーンは言いました。

影のプレイヤーの多くは現在、救済されています。

CMB からの光粒子、または光子が銀河間のガス中の電子から散乱すると、より高いエネルギーにぶつかります。 さらに、これらの銀河が膨張する宇宙に対して運動している場合、CMB 光子は、クラスターの相対運動に応じて上または下の XNUMX 番目のエネルギーシフトを取得します。

それぞれ熱効果と運動学的スンヤエフ・ゼルドビッチ (SZ) 効果として知られるこの一対の効果は、 最初に理論化された 1960 年代後半に発見され、過去 XNUMX 年間で検出精度が向上しました。 一緒に、SZ効果は、CMB画像から引き出すことができる特徴的な特徴を残し、科学者が宇宙のすべての通常の物質の位置と温度をマッピングすることを可能にします.

最後に、弱い重力レンズ作用として知られる XNUMX 番目の効果は、CMB 光が巨大な物体の近くを移動するときに経路をゆがめ、あたかもワイングラスの底を通して見たように CMB をゆがめます。 SZ 効果とは異なり、レンズ効果はすべての物質 (暗黒またはその他) に敏感です。

まとめると、これらの効果により、宇宙学者は通常の物質を暗黒物質から分離することができます。 その後、科学者はこれらのマップを銀河調査の画像と重ね合わせて宇宙距離を測定し、 星形成の痕跡.

In コンパニオン 論文 2021 年に、シャーンが率いるチームと ステファニア・アモデオ彼は現在、フランスのストラスブール天文台にいますが、このアプローチを実践しています。 彼らは、欧州宇宙機関によって取得された CMB データを調べました。 プランク衛星 そして地上ベース アタカマ宇宙望遠鏡、そしてこれらのマップの上に、約 500,000 の銀河の追加の光学調査を積み重ねました。 この技術により、彼らは通常の物質と暗黒物質の配列を測定することができました。

分析によると、この領域のガスは、多くのモデルが予測したほど、それを支える暗黒物質ネットワークをしっかりと抱きしめていなかった. 代わりに、超新星からの爆発と超大質量ブラックホールの降着により、暗黒物質の結節からガスが押し出され、広がり、従来の望遠鏡で検出するには薄すぎて寒くなったことが示唆されています。

CMB の影で拡散ガスを発見することは、科学者がいわゆる問題にさらに対処するのに役立ちました。 バリオンの欠落問題. また、拡散する爆発の強度と温度の推定値も提供しました。このデータは現在、科学者が銀河の進化と宇宙の大規模構造のモデルを改良するために使用しています。

近年、宇宙論者は、現代の宇宙で観察された物質の分布が、 理論が予測するよりも滑らか. Schaan、Amodeo、および 他人 これらの爆発は、宇宙全体に物質をより均等に広げたことに部分的に関与している可能性があることを示唆しているようです. コリンヒル、コロンビア大学の宇宙学者で、CMB署名にも取り組んでいます。 今後数か月以内に、Atacama Cosmology Telescope の Hill と同僚は、空の範囲と感度の両方で顕著な飛躍を遂げた CMB シャドウの更新されたマップを公開する予定です。

「このマップでできることのほんの一部にすぎません」と Hill 氏は言います。 「これは、これまでのどの製品よりもセンセーショナルな改善です。 それが本物だと信じるのは難しいです。」

未知の色合い

CMB は、宇宙論の標準モデル (研究者が宇宙の起源、組成、形状を理解するために使用する中心的なフレームワーク) の確立に役立つ重要な証拠でした。 しかし、CMB バックライトの研究は現在、その話に穴を開ける恐れがあります。

「このパラダイムは、最近まで精密測定のテストを生き延びてきました。」 小松栄一郎マックス・プランク天体物理学研究所の宇宙学者で、2001 年から 2010 年にかけて CMB をマッピングしたウィルキンソン マイクロ波異方性探査機のメンバーとして理論の確立に取り組みました。 」

過去 XNUMX 年間、コマツと同僚は、影の劇場の舞台で新しいキャラクターのヒントを調査してきました。 信号は、CMB 光波の偏光または方向に現れます。宇宙論の標準モデルは、宇宙を横切る波の旅で一定のままであると述べています。 しかし、 理論化された 2020 年前に Sean Carroll とその同僚によって、暗黒物質、暗黒エネルギー、またはまったく新しい粒子の場によって分極が回転する可能性があることがわかりました。 このような場は、異なる偏光の光子を異なる速度で移動させ、光の正味の偏光を回転させます。これは、LCD スクリーンを可能にする結晶など、特定の結晶が共有する「複屈折」として知られる特性です。 XNUMX年、コマツのチームは 報告された発見 CMB の偏光のわずかな回転 — 約 0.35 度。 追跡調査 昨年公開された 以前の結果を強化しました。

分極研究または 別の結果 銀河の分布に関連することが確認された場合、宇宙がすべての観測者にとってすべての方向で同じに見えるわけではないことを意味します. ヒルと他の多くの人にとって、両方の結果は興味をそそるものですが、まだ決定的なものではありません. これらのヒントを調査し、潜在的な交絡効果を排除するための追跡調査が進行中です。 いくつかは、専用の 「バックライト天文学」宇宙船 さまざまな影をさらに検査します。

「10 ～ XNUMX 年前、人々は宇宙論は終わったと考えていました」と小松は言いました。 「それが今変わりつつあります。 私たちは新しい時代を迎えようとしています。」