빅뱅 잔광의 그림자는 보이지 않는 우주 구조를 드러낸다

빅뱅 이후 거의 400,000년이 지난 후 초기 우주의 원시 플라즈마는 첫 번째 원자가 합쳐질 만큼 충분히 냉각되어 내장된 방사선이 자유롭게 치솟을 수 있는 공간을 만들었습니다. 그 빛, 즉 우주 마이크로파 배경(CMB)은 계속해서 하늘을 통해 모든 방향으로 흐르며 전용 망원경으로 포착하고 오래된 음극선 텔레비전의 정적 상태에서도 드러난 초기 우주의 스냅샷을 방송합니다.

과학자들이 1965년에 CMB 복사를 발견한 후, 그들은 미세한 온도 변화를 세심하게 매핑했습니다. 우주의 정확한 상태 거품을 일으키는 플라즈마에 불과했을 때. 이제 그들은 우주가 성숙함에 따라 수십억 년에 걸쳐 발전한 대규모 구조를 분류하기 위해 CMB 데이터를 용도 변경하고 있습니다.

"그 빛은 우주 역사의 대부분을 경험했고 그것이 어떻게 변했는지를 봄으로써 우리는 다른 시대에 대해 배울 수 있습니다."라고 말했습니다. 키미 우, SLAC National Accelerator Laboratory의 우주론자.

거의 14억년의 여정 동안 CMB에서 나오는 빛은 그 길에 있는 모든 물질에 의해 늘어나고, 압착되고, 뒤틀렸습니다. 우주론자들은 CMB 빛의 XNUMX차 변동을 넘어 은하 및 기타 우주 구조와의 상호 작용에 의해 남겨진 XNUMX차 각인까지 살펴보기 시작했습니다. 이 신호로부터 그들은 일반 물질(원자 부분으로 구성된 모든 것)과 신비한 암흑 물질의 분포에 대한 더 선명한 시야를 얻고 있습니다. 차례로 이러한 통찰력은 오랜 우주론적 미스터리를 해결하고 새로운 미스터리를 제기하는 데 도움이 됩니다.

“우리는 CMB가 우주의 초기 조건에 대해서만 알려주는 것이 아니라는 것을 깨닫고 있습니다. 또한 은하계 자체에 대해서도 알려줍니다.”라고 말했습니다. 엠마누엘 샨, SLAC의 우주론자이기도 합니다. "그리고 그것은 정말 강력한 것으로 판명되었습니다."

그림자의 우주

별에서 방출되는 빛을 추적하는 표준 광학 조사에서는 대부분의 은하의 기본 질량을 간과합니다. 그것은 우주의 전체 물질 함량의 대부분이 망원경으로 볼 수 없기 때문입니다. 암흑 물질 덩어리나 은하를 연결하는 확산 이온화 가스로 보이지 않게 가려져 있기 때문입니다. 그러나 암흑 물질과 흩어져 있는 가스는 들어오는 CMB 빛의 배율과 색상에 탐지 가능한 흔적을 남깁니다.

"우주는 실제로 은하계가 주인공이고 CMB가 백라이트인 그림자 극장입니다."라고 Schaan은 말했습니다.

많은 그림자 플레이어가 이제 안심하고 있습니다.

CMB의 가벼운 입자 또는 광자가 은하 사이의 가스에서 전자를 산란시키면 더 높은 에너지에 충돌하게 됩니다. 또한 이러한 은하가 팽창하는 우주와 관련하여 움직이면 CMB 광자는 클러스터의 상대 운동에 따라 위 또는 아래로 두 번째 에너지 이동을 얻습니다.

각각 열적 및 운동학적 Sunyaev-Zel'dovich(SZ) 효과로 알려진 이 쌍의 효과는 다음과 같습니다. 먼저 이론화 1960년대 후반에 발견되었으며 지난 XNUMX년 동안 점점 더 정밀하게 탐지되었습니다. 함께 SZ 효과는 CMB 이미지에서 알아낼 수 있는 특징적인 서명을 남겨 과학자들이 우주에 있는 모든 일반 물질의 위치와 온도를 매핑할 수 있도록 합니다.

마지막으로, 약한 중력 렌즈 효과로 ​​알려진 세 번째 효과는 CMB 빛이 거대한 물체 근처를 이동할 때 경로를 왜곡하여 와인잔 바닥을 통해 본 것처럼 CMB를 왜곡합니다. SZ 효과와 달리 렌즈 효과는 어둡거나 그렇지 않은 모든 물질에 민감합니다.

이러한 효과를 종합하면 우주론자들은 일반 물질과 암흑 물질을 분리할 수 있습니다. 그런 다음 과학자들은 이 지도를 은하계 측량 이미지로 오버레이하여 우주 거리를 측정하고 심지어 추적 별 형성.

In 동반자 서류 2021년에는 Schaan이 이끄는 팀과 스테파니아 아모데오현재 프랑스 스트라스부르 천문대에 있는 은 이 접근 방식을 적용했습니다. 그들은 유럽 우주국이 촬영한 CMB 데이터를 조사했습니다. 플랑크 위성 그리고 지상 기반 아타카마 우주론 망원경, 그런 다음 거의 500,000개의 은하에 대한 추가 광학 조사를 해당 지도 위에 쌓았습니다. 이 기술을 통해 일반 물질과 암흑 물질의 정렬을 측정할 수 있었습니다.

분석 결과 이 ​​지역의 가스는 많은 모델이 예측한 것처럼 지원하는 암흑 물질 네트워크를 긴밀하게 껴안지 않은 것으로 나타났습니다. 대신, 초신성 폭발과 초거대질량 블랙홀 축적으로 인해 가스가 암흑 물질 노드에서 멀어져 기존 망원경이 감지하기에는 너무 얇고 차갑게 퍼졌습니다.

CMB 그림자에서 확산 가스를 발견함으로써 과학자들은 소위 바리온 누락 문제. 그것은 또한 분산 폭발의 강도와 온도에 대한 추정치를 제공했습니다. 과학자들은 현재 은하 진화 모델과 우주의 대규모 구조를 개선하는 데 사용하고 있는 데이터입니다.

최근 몇 년 동안 우주론자들은 현대 우주에서 관측된 물질 분포가 이론이 예측하는 것보다 더 부드럽게. Schaan, Amodeo 및 다른 사람 이러한 폭발이 우주 전체에 물질을 더 고르게 퍼뜨린 데 부분적으로 책임이 있을 수 있다고 제안하는 것 같습니다. 콜린 힐, 컬럼비아 대학교의 우주론자이자 CMB 서명에 대해서도 연구하고 있습니다. 앞으로 몇 달 동안 Atacama Cosmology Telescope의 Hill과 동료들은 하늘 범위와 민감도 모두에서 현저한 점프를 통해 업데이트된 CMB 그림자 지도를 공개할 계획입니다.

"우리는 이 지도로 할 수 있는 일의 표면을 긁기 시작했을 뿐입니다." Hill이 말했습니다. “그것은 이전에 나온 어떤 것에 비해 놀라운 개선입니다. 진짜라고 믿기 어렵다”고 말했다.

미지의 그림자

CMB는 연구자들이 우주의 기원, 구성 및 모양을 이해하는 데 사용하는 중심 프레임워크인 우주론의 표준 모델을 확립하는 데 도움이 되는 핵심 증거였습니다. 그러나 CMB 백라이트 연구는 이제 그 이야기에 구멍을 뚫겠다고 위협하고 있습니다.

"이 패러다임은 최근까지 정밀 측정 테스트에서 실제로 살아 남았습니다."라고 말했습니다. 고마츠 에이이치로2001년에서 2010년 사이에 CMB를 매핑한 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe의 일원으로 이론을 확립하기 위해 노력한 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 우주론자. .”

지난 XNUMX년 동안 Komatsu와 동료들은 그림자 극장 무대에서 새로운 캐릭터의 힌트를 조사해 왔습니다. 신호는 CMB 광파의 편광 또는 방향으로 나타나며 우주론의 표준 모델에 따르면 광파는 우주를 가로지르는 여정에서 일정하게 유지되어야 합니다. 그러나 ~함에 따라 이론화 된 2020년 전 Sean Carroll과 동료들은 그 편광이 암흑 물질, 암흑 에너지 또는 완전히 새로운 입자의 장에 의해 회전될 수 있다고 밝혔습니다. 이러한 장은 서로 다른 편광의 광자가 서로 다른 속도로 이동하고 빛의 순 편광을 회전시키게 합니다. 이러한 특성은 LCD 화면을 가능하게 하는 것과 같은 특정 결정에 의해 공유되는 "복굴절"로 알려진 속성입니다. XNUMX년, Komatsu의 팀 보고된 결과 CMB 편광의 작은 회전 - 약 0.35도. 후속 연구 작년 발행 이전 결과를 강화했습니다.

편광 연구 또는 다른 결과 은하의 분포와 관련하여 우주가 모든 관찰자에게 모든 방향에서 동일하게 보이지 않는다는 것을 의미합니다. Hill과 다른 많은 사람들에게 두 결과 모두 감질나게 하지만 아직 결정적이지는 않습니다. 이러한 힌트를 조사하고 잠재적 교란 효과를 배제하기 위한 후속 연구가 진행 중입니다. 일부는 전용을 제안하기도 했습니다. "백라이트 천문학" 우주선 다양한 그림자를 추가로 검사합니다.

Komatsu는 “10년에서 XNUMX년 전에 사람들은 우주론이 끝났다고 생각했습니다. “그것이 지금 바뀌고 있습니다. 우리는 새로운 시대로 접어들고 있습니다.”