Schaduwen in de Big Bang Afterglow onthullen onzichtbare kosmische structuren

Bijna 400,000 jaar na de oerknal koelde het oerplasma van het jonge universum voldoende af om de eerste atomen samen te smelten, waardoor er ruimte ontstond voor de ingebedde straling om vrij te zweven. Dat licht - de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - blijft in alle richtingen door de lucht stromen en zendt een momentopname uit van het vroege universum dat wordt opgepikt door speciale telescopen en zelfs wordt onthuld in de ruis op oude kathodestraaltelevisies.

Nadat wetenschappers de CMB-straling in 1965 ontdekten, brachten ze de minuscule temperatuurvariaties nauwkeurig in kaart de exacte toestand van de kosmos toen het slechts een schuimend plasma was. Nu hergebruiken ze CMB-gegevens om de grootschalige structuren te catalogiseren die zich gedurende miljarden jaren hebben ontwikkeld naarmate het universum volwassener werd.

"Dat licht heeft een groot deel van de geschiedenis van het universum meegemaakt, en door te zien hoe het is veranderd, kunnen we meer te weten komen over verschillende tijdperken," zei Kimmy Wu, een kosmoloog bij het SLAC National Accelerator Laboratory.

In de loop van zijn reis van bijna 14 miljard jaar is het licht van de CMB uitgerekt, samengedrukt en vervormd door alle materie die het onderweg tegenkwam. Kosmologen beginnen voorbij de primaire fluctuaties in het CMB-licht te kijken naar de secundaire afdrukken die zijn achtergelaten door interacties met sterrenstelsels en andere kosmische structuren. Door deze signalen krijgen ze een scherper beeld van de verdeling van zowel gewone materie - alles wat uit atomaire delen bestaat - als de mysterieuze donkere materie. Die inzichten helpen op hun beurt om een ​​aantal lang bestaande kosmologische mysteries op te lossen en een aantal nieuwe te onthullen.

“We realiseren ons dat de CMB ons niet alleen vertelt over de beginvoorwaarden van het universum. Het vertelt ons ook over de sterrenstelsels zelf, "zei Emmanuel Schaan, ook een kosmoloog bij SLAC. "En dat blijkt heel krachtig te zijn."

Een universum van schaduwen

Standaard optische onderzoeken, die het door sterren uitgezonden licht volgen, zien de meeste onderliggende massa van de sterrenstelsels over het hoofd. Dat komt omdat de overgrote meerderheid van de totale materie-inhoud van het universum onzichtbaar is voor telescopen - uit het zicht weggestopt als klonten donkere materie of als het diffuse geïoniseerde gas dat sterrenstelsels overbrugt. Maar zowel de donkere materie als het uitgestrooide gas laten waarneembare afdrukken achter op de vergroting en kleur van het binnenkomende CMB-licht.

"Het universum is echt een schaduwtheater waarin de sterrenstelsels de hoofdrolspelers zijn en de CMB de achtergrondverlichting is", zei Schaan.

Veel van de schaduwspelers komen nu in reliëf.

Wanneer lichtdeeltjes, of fotonen, van de CMB worden verstrooid door elektronen in het gas tussen sterrenstelsels, worden ze tegen hogere energieën gebotst. Bovendien, als die sterrenstelsels in beweging zijn ten opzichte van het uitdijende universum, krijgen de CMB-fotonen een tweede energieverschuiving, naar boven of naar beneden, afhankelijk van de relatieve beweging van het cluster.

Dit paar effecten, respectievelijk bekend als de thermische en kinematische Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effecten, waren eerst getheoretiseerd in de late jaren 1960 en zijn gedetecteerd met toenemende precisie in het afgelopen decennium. Samen laten de SZ-effecten een karakteristieke signatuur achter die uit CMB-beelden kan worden gehaald, waardoor wetenschappers de locatie en temperatuur van alle gewone materie in het universum in kaart kunnen brengen.

Ten slotte vervormt een derde effect, bekend als zwakke zwaartekrachtlensing, het pad van CMB-licht terwijl het in de buurt van massieve objecten komt, waardoor de CMB wordt vervormd alsof het door de bodem van een wijnglas wordt bekeken. In tegenstelling tot de SZ-effecten is lensing gevoelig voor alle materie - donker of anderszins.

Bij elkaar genomen stellen deze effecten kosmologen in staat om de gewone materie van de donkere materie te scheiden. Vervolgens kunnen wetenschappers deze kaarten bedekken met afbeeldingen van melkwegonderzoeken om kosmische afstanden te meten en zelfs spoor stervorming.

In metgezel papieren in 2021 een team onder leiding van Schaan en Stefania Amodeo, die nu bij het Astronomisch Observatorium van Straatsburg in Frankrijk is, zette deze benadering aan het werk. Ze onderzochten CMB-gegevens van de European Space Agency Planck-satelliet en de grondgebonden Atacama Kosmologische Telescoop, vervolgens bovenop die kaarten gestapeld een extra optisch onderzoek van bijna 500,000 sterrenstelsels. Met de techniek konden ze de uitlijning van gewone materie en donkere materie meten.

De analyse toonde aan dat het gas van de regio het ondersteunende netwerk van donkere materie niet zo strak omhelsde als veel modellen voorspelden. In plaats daarvan suggereert het dat ontploffingen van supernova's en aangroeiende superzware zwarte gaten het gas wegduwden van zijn donkere materieknooppunten, waardoor het zo werd verspreid dat het te dun en te koud was voor conventionele telescopen om te detecteren.

Door dat diffuse gas in CMB-schaduwen te spotten, hebben wetenschappers de zogenaamde ontbrekende baryonen probleem. Het heeft ook schattingen opgeleverd voor de kracht en temperatuur van de zich verspreidende explosies - gegevens die wetenschappers nu gebruiken om hun modellen van de evolutie van sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het universum te verfijnen.

De afgelopen jaren zijn kosmologen verbaasd over het feit dat de waargenomen verdeling van materie in het moderne universum dat wel is soepeler dan de theorie voorspelt. Als de explosies die intergalactisch gas recyclen energieker zijn dan wetenschappers aannamen, zoals het recente werk van Schaan, Amodeo en anderen lijkt te suggereren, zouden deze ontploffingen gedeeltelijk verantwoordelijk kunnen zijn voor het gelijkmatiger verspreiden van materie over het universum, zei Colin Heuvel, een kosmoloog aan Columbia University die ook werkt aan CMB-handtekeningen. In de komende maanden zijn Hill en collega's van de Atacama Cosmology Telescope van plan een bijgewerkte kaart van CMB-schaduwen te onthullen met een opmerkelijke sprong in zowel luchtdekking als gevoeligheid.

"We zijn nog maar net begonnen met het verkennen van wat je met deze kaart kunt doen," zei Hill. “Het is een sensationele verbetering ten opzichte van alles wat eerder is geweest. Het is moeilijk te geloven dat het echt is.”

Schaduwen van het onbekende

De CMB was een belangrijk bewijsstuk dat hielp bij het vaststellen van het standaardmodel van kosmologie - het centrale raamwerk dat onderzoekers gebruiken om de oorsprong, samenstelling en vorm van het universum te begrijpen. Maar de tegenlichtstudies van CMB dreigen nu gaten in dat verhaal te prikken.

"Dit paradigma heeft de test van precisiemetingen echt overleefd - tot voor kort," zei Eiichiro Komatsu, een kosmoloog aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica die werkte om de theorie vast te stellen als lid van de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, die de CMB tussen 2001 en 2010 in kaart bracht. “Misschien staan ​​we op het kruispunt … van een nieuw model van het universum .”

De afgelopen twee jaar hebben Komatsu en collega's hints van een nieuw personage op het podium van het schaduwtheater onderzocht. Het signaal verschijnt in de polarisatie of oriëntatie van CMB-lichtgolven, die volgens het standaardmodel van de kosmologie constant moeten blijven tijdens de reis van de golven door het universum. Maar, zoals getheoretiseerd drie decennia geleden door Sean Carroll en collega's, kon die polarisatie worden geroteerd door een veld van donkere materie, donkere energie of een totaal nieuw deeltje. Zo'n veld zou ervoor zorgen dat fotonen met verschillende polarisaties met verschillende snelheden reizen en de netto polarisatie van het licht roteren, een eigenschap die bekend staat als "dubbele breking" die wordt gedeeld door bepaalde kristallen, zoals die welke LCD-schermen mogelijk maken. In 2020, Komatsu's team gerapporteerde bevinding een kleine rotatie in de polarisatie van de CMB - ongeveer 0.35 graden. Een vervolgstudie vorig jaar gepubliceerd versterkte dat eerdere resultaat.

Als de polarisatie studie of een ander resultaat gerelateerd aan de verdeling van sterrenstelsels wordt bevestigd, zou dit impliceren dat het universum er voor alle waarnemers niet in alle richtingen hetzelfde uitziet. Voor Hill en vele anderen zijn beide resultaten verleidelijk maar nog niet definitief. Vervolgstudies zijn aan de gang om deze hints te onderzoeken en mogelijke verstorende effecten uit te sluiten. Sommigen hebben zelfs een speciale voorgesteld ruimtevaartuig "tegenlichtastronomie". die de verschillende schaduwen verder zou inspecteren.

"Vijf tot tien jaar geleden dachten mensen dat de kosmologie voorbij was", zei Komatsu. “Dat is nu aan het veranderen. We gaan een nieuw tijdperk in.”