Cienie w poświacie Wielkiego Wybuchu ujawniają niewidzialne struktury kosmiczne

Prawie 400,000 XNUMX lat po Wielkim Wybuchu pierwotna plazma niemowlęcego wszechświata ostygła na tyle, że pierwsze atomy mogły się połączyć, tworząc przestrzeń dla uwolnionego promieniowania. To światło — kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) — nadal przepływa przez niebo we wszystkich kierunkach, emitując migawkę wczesnego Wszechświata, która jest rejestrowana przez dedykowane teleskopy, a nawet ujawniana statycznie na starych telewizorach katodowych.

Po odkryciu promieniowania KMPT przez naukowców w 1965 r., skrupulatnie zmapowano jego niewielkie wahania temperatury, które wykazały dokładny stan kosmosu kiedy była to zwykła pieniąca się plazma. Teraz ponownie wykorzystują dane CMB, aby skatalogować wielkoskalowe struktury, które rozwinęły się przez miliardy lat w miarę dojrzewania wszechświata.

„To światło doświadczyło większości historii wszechświata, a obserwując, jak się zmieniło, możemy dowiedzieć się o różnych epokach” – powiedział Kimmy Wu, kosmolog z SLAC National Accelerator Laboratory.

W trakcie swojej prawie 14-miliardowej podróży światło z CMB było rozciągane, ściskane i wypaczane przez całą materię na swojej drodze. Kosmologowie zaczynają patrzeć poza pierwotne fluktuacje światła CMB na wtórne ślady pozostawione przez interakcje z galaktykami i innymi strukturami kosmicznymi. Dzięki tym sygnałom uzyskują wyraźniejszy obraz rozkładu zarówno zwykłej materii – wszystkiego, co składa się z części atomowych – jak i tajemniczej ciemnej materii. Z kolei te spostrzeżenia pomagają rozstrzygnąć niektóre od dawna kosmologiczne tajemnice i postawić kilka nowych.

„Zdajemy sobie sprawę, że CMB mówi nam nie tylko o początkowych warunkach wszechświata. Mówi nam również o samych galaktykach” – powiedział Emmanuela Schaana, także kosmolog w SLAC. „I to okazuje się być naprawdę potężne”.

Wszechświat cieni

Standardowe przeglądy optyczne, które śledzą światło emitowane przez gwiazdy, pomijają większość masy galaktyk. To dlatego, że zdecydowana większość całkowitej zawartości materii we Wszechświecie jest niewidoczna dla teleskopów — schowana poza zasięgiem wzroku albo jako skupiska ciemnej materii, albo jako rozproszony zjonizowany gaz, który łączy galaktyki. Ale zarówno ciemna materia, jak i rozproszony gaz pozostawiają wykrywalne ślady na powiększeniu i kolorze nadchodzącego światła KMPT.

„Wszechświat jest tak naprawdę teatrem cieni, w którym galaktyki są bohaterami, a CMB jest podświetleniem” – powiedział Schaan.

Wielu graczy-cieni zaczyna teraz odczuwać ulgę.

Kiedy cząstki światła lub fotony z CMB rozpraszają elektrony w gazie między galaktykami, zostają zderzane z wyższymi energiami. Ponadto, jeśli te galaktyki poruszają się względem rozszerzającego się wszechświata, fotony CMB uzyskują drugie przesunięcie energii, w górę lub w dół, w zależności od względnego ruchu gromady.

Ta para efektów, znana odpowiednio jako efekt termiczny i kinematyczny Sunyaev-Zel'dovich (SZ), była najpierw teoretyzować pod koniec lat 1960. XX wieku i zostały wykryte z coraz większą precyzją w ostatniej dekadzie. Razem efekty SZ pozostawiają charakterystyczną sygnaturę, którą można wydobyć z obrazów CMB, umożliwiając naukowcom mapowanie lokalizacji i temperatury całej zwykłej materii we wszechświecie.

Wreszcie trzeci efekt, znany jako słabe soczewkowanie grawitacyjne, wypacza ścieżkę światła KMPT, gdy przemieszcza się ono w pobliżu masywnych obiektów, zniekształcając KMPT tak, jakby był widziany przez podstawę kieliszka do wina. W przeciwieństwie do efektów SZ, soczewkowanie jest wrażliwe na każdą materię — ciemną lub inną.

Podsumowując, efekty te pozwalają kosmologom oddzielić zwykłą materię od ciemnej. Następnie naukowcy mogą nałożyć te mapy na obrazy z przeglądów galaktyk, aby zmierzyć kosmiczne odległości, a nawet śladowe formowanie się gwiazd.

In towarzysz Papiery w 2021 roku zespół prowadzony przez Schaana i Stefania Amodeo, który obecnie pracuje w Obserwatorium Astronomicznym w Strasburgu we Francji, zastosował to podejście. Przeanalizowali dane CMB zebrane przez Europejską Agencję Kosmiczną Satelita Plancka i naziemnych Teleskop Kosmologiczny Atacama, a następnie umieścił na tych mapach dodatkowy przegląd optyczny prawie 500,000 XNUMX galaktyk. Technika ta pozwoliła im zmierzyć wyrównanie zwykłej materii i ciemnej materii.

Analiza wykazała, że ​​gaz w tym regionie nie przylegał tak mocno do wspierającej go sieci ciemnej materii, jak przewidywało wiele modeli. Zamiast tego sugeruje, że wybuchy supernowych i akrecyjnych supermasywnych czarnych dziur wypychały gaz z węzłów ciemnej materii, rozkładając go tak, że był zbyt cienki i zimny, aby mogły go wykryć konwencjonalne teleskopy.

Dostrzeżenie tego rozproszonego gazu w cieniach CMB pomogło naukowcom w dalszym zajmowaniu się tzw problem brakujących barionów. Dostarczył również szacunków dotyczących siły i temperatury rozpraszających się wybuchów – danych, które naukowcy wykorzystują obecnie do udoskonalania swoich modeli ewolucji galaktyk i wielkoskalowej struktury Wszechświata.

W ostatnich latach kosmologów zastanawia fakt, że obserwowany rozkład materii we współczesnym wszechświecie jest taki płynniej niż przewiduje teoria. Jeśli eksplozje przetwarzające gaz międzygalaktyczny są bardziej energetyczne niż zakładali naukowcy, jak wynika z ostatnich prac Schaana, Amodeo i inni wydaje się sugerować, że wybuchy te mogą być częściowo odpowiedzialne za bardziej równomierne rozłożenie materii we wszechświecie Colina Hilla, kosmolog z Columbia University, który pracuje również nad sygnaturami CMB. W nadchodzących miesiącach Hill i współpracownicy z Atacama Cosmology Telescope planują ujawnić zaktualizowaną mapę cieni CMB z zauważalnym skokiem zarówno w zakresie pokrycia nieba, jak i czułości.

„Zaczęliśmy tylko drapać powierzchnię tego, co możesz zrobić z tą mapą” – powiedział Hill. „To rewelacyjna poprawa w stosunku do wszystkiego, co było wcześniej. Trudno uwierzyć, że to prawda”.

Cienie Nieznanego

CMB było kluczowym dowodem, który pomógł ustanowić standardowy model kosmologii — centralne ramy, które naukowcy wykorzystują do zrozumienia pochodzenia, składu i kształtu wszechświata. Ale badania podświetlenia CMB grożą teraz wybiciem dziur w tej historii.

„Ten paradygmat naprawdę przetrwał test precyzyjnych pomiarów – do niedawna” – powiedział Eiichiro Komatsu, kosmolog z Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka, który pracował nad ustaleniem tej teorii jako członek sondy Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, która sporządziła mapę CMB w latach 2001-2010. „Możemy znajdować się na rozdrożu… nowego modelu wszechświata ”.

Przez ostatnie dwa lata Komatsu i współpracownicy badali wskazówki dotyczące nowej postaci na scenie teatru cieni. Sygnał pojawia się w polaryzacji lub orientacji fal świetlnych CMB, które zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym powinny pozostać stałe podczas podróży fal przez wszechświat. Ale jako teoretyzowane trzy dekady temu przez Seana Carrolla i współpracowników, ta polaryzacja może być obracana przez pole ciemnej materii, ciemnej energii lub zupełnie nowej cząstki. Takie pole spowodowałoby, że fotony o różnych polaryzacjach przemieszczałyby się z różnymi prędkościami i obracałyby polaryzację netto światła, właściwość znaną jako „dwójłomność”, która jest wspólna dla niektórych kryształów, takich jak te, które umożliwiają ekrany LCD. W 2020 roku zespół Komatsu zgłoszone znalezisko mały obrót w polaryzacji CMB — około 0.35 stopnia. Dalsze badanie opublikowane w zeszłym roku umocnił ten wcześniejszy wynik.

Jeśli badanie polaryzacji lub inny wynik związane z rozmieszczeniem galaktyk zostało potwierdzone, oznaczałoby to, że dla wszystkich obserwatorów wszechświat nie wygląda tak samo we wszystkich kierunkach. Dla Hilla i wielu innych wyniki są kuszące, ale nie są jeszcze ostateczne. Trwają dalsze badania mające na celu zbadanie tych wskazówek i wykluczenie potencjalnych efektów zakłócających. Niektórzy zaproponowali nawet dedykację statek kosmiczny „astronomia podświetlana”. które dodatkowo zbadałyby różne cienie.

„Pięć do 10 lat temu ludzie myśleli, że kosmologia jest skończona” – powiedział Komatsu. „To się teraz zmienia. Wkraczamy w nową erę”.