Umbrele din Big Bang Afterglow dezvăluie structuri cosmice invizibile

La aproape 400,000 de ani de la Big Bang, plasma primordială a universului infantil sa răcit suficient pentru ca primii atomi să se unească, făcând spațiu pentru ca radiația încorporată să se elibereze. Acea lumină – fundalul cosmic cu microunde (CMB) – continuă să circule prin cer în toate direcțiile, difuzând un instantaneu al universului timpuriu, care este captat de telescoape dedicate și chiar dezvăluit în statică pe vechile televizoare cu raze catodice.

După ce oamenii de știință au descoperit radiația CMB în 1965, au cartografiat meticulos variațiile sale minuscule de temperatură, care au arătat starea exactă a cosmosului când era o simplă plasmă spumoasă. Acum reutiliza datele CMB pentru a cataloga structurile la scară mare care s-au dezvoltat pe parcursul a miliarde de ani pe măsură ce universul s-a maturizat.

„Acea lumină a experimentat o mare parte din istoria universului și, văzând cum s-a schimbat, putem afla despre diferite epoci”, a spus Kimmy Wu, un cosmolog la SLAC National Accelerator Laboratory.

De-a lungul călătoriei sale de aproape 14 miliarde de ani, lumina de la CMB a fost întinsă, strânsă și deformată de toată materia în cale. Cosmologii încep să privească dincolo de fluctuațiile primare ale luminii CMB la amprentele secundare lăsate de interacțiunile cu galaxiile și alte structuri cosmice. Din aceste semnale, ei obțin o perspectivă mai clară asupra distribuției atât a materiei obișnuite - a tot ceea ce este compus din părți atomice - cât și a misterioasei materie întunecată. La rândul lor, aceste perspective ajută la soluționarea unor mistere cosmologice de lungă durată și la ridicarea unora noi.

„Ne dăm seama că CMB nu ne spune doar despre condițiile inițiale ale universului. De asemenea, ne vorbește despre galaxiile în sine”, a spus Emmanuel Schaan, și cosmolog la SLAC. „Și asta se dovedește a fi cu adevărat puternic.”

Un univers de umbre

Sondajele optice standard, care urmăresc lumina emisă de stele, trec cu vederea majoritatea masei subiacente a galaxiilor. Acest lucru se datorează faptului că marea majoritate a conținutului total de materie din univers este invizibil pentru telescoape - ascuns din vedere fie ca aglomerații de materie întunecată, fie ca gaz ionizat difuz care unește galaxiile. Dar atât materia întunecată, cât și gazul împrăștiat lasă amprente detectabile asupra măririi și culorii luminii CMB care intră.

„Universul este într-adevăr un teatru de umbre în care galaxiile sunt protagoniști, iar CMB este lumina de fundal”, a spus Schaan.

Mulți dintre jucătorii din umbră vin acum în relief.

Când particulele de lumină, sau fotonii, din CMB împrăștie electroni în gazul dintre galaxii, ei ajung la energii mai mari. În plus, dacă acele galaxii sunt în mișcare în raport cu universul în expansiune, fotonii CMB primesc o a doua schimbare de energie, fie în sus, fie în jos, în funcție de mișcarea relativă a clusterului.

Această pereche de efecte, cunoscută ca efecte termice și cinematice Sunyaev-Zel'dovich (SZ), au fost mai întâi teoretizat la sfârșitul anilor 1960 și au fost detectate cu o precizie crescândă în ultimul deceniu. Împreună, efectele SZ lasă o semnătură caracteristică care poate fi tachinată din imaginile CMB, permițând oamenilor de știință să cartografieze locația și temperatura întregii materie obișnuită din univers.

În cele din urmă, un al treilea efect cunoscut sub numele de lentilă gravitațională slabă deformează calea luminii CMB în timp ce se deplasează în apropierea obiectelor masive, distorsionând CMB ca și cum ar fi văzut prin baza unui pahar de vin. Spre deosebire de efectele SZ, lentilele sunt sensibile la toate materia - întunecată sau de altă natură.

Luate împreună, aceste efecte permit cosmologilor să separe materia obișnuită de materia întunecată. Apoi oamenii de știință pot suprapune aceste hărți cu imagini din sondajele galaxiilor pentru a măsura distanțe cosmice și chiar urme de formare a stelelor.

In tovarăş lucrări în 2021, o echipă condusă de Schaan și Stefania Amodeo, care se află acum la Observatorul Astronomic de la Strasbourg din Franța, a pus această abordare la lucru. Ei au examinat datele CMB preluate de Agenția Spațială Europeană Satelitul Planck iar cea de la sol Telescopul Cosmologic Atacama, apoi a stivuit deasupra acelor hărți un studiu optic suplimentar a aproape 500,000 de galaxii. Tehnica le-a permis să măsoare alinierea materiei obișnuite și a materiei întunecate.

Analiza a arătat că gazul din regiune nu și-a îmbrățișat rețeaua de susținere a materiei întunecate atât de strâns așa cum au prezis multe modele. În schimb, sugerează că exploziile de la supernove și găurile negre supermasive acumulate au forțat gazul să se îndepărteze de nodurile sale de materie întunecată, împrăștiindu-l astfel încât a fost prea subțire și rece pentru ca telescoapele convenționale să le poată detecta.

Observarea acelui gaz difuz în umbrele CMB a ajutat oamenii de știință să abordeze în continuare așa-numitul problema cu barionii lipsă. De asemenea, a furnizat estimări pentru puterea și temperatura exploziilor care se dispersează - date pe care oamenii de știință le folosesc acum pentru a-și rafina modelele de evoluție a galaxiilor și structura pe scară largă a universului.

În ultimii ani, cosmologii au fost nedumeriți de faptul că distribuția observată a materiei în universul modern este mai lin decât prezice teoria. Dacă exploziile care reciclează gazul intergalactic sunt mai energice decât au presupus oamenii de știință, după cum au lucrat recent Schaan, Amodeo și alţii pare să sugereze, aceste explozii ar putea fi parțial responsabile pentru răspândirea materiei mai uniform în univers, a spus Colin Hill, un cosmolog la Universitatea Columbia care lucrează și la semnăturile CMB. În lunile următoare, Hill și colegii de la Telescopul Cosmologic Atacama plănuiesc să dezvăluie o hartă actualizată a umbrelor CMB, cu un salt notabil atât în ​​ceea ce privește acoperirea cerului, cât și sensibilitatea.

„Abia am început să zgâriem suprafața a ceea ce poți face cu această hartă”, a spus Hill. „Este o îmbunătățire senzațională față de orice a apărut înainte. E greu de crezut că este real.”

Umbrele necunoscutului

CMB a fost o dovadă cheie care a ajutat la stabilirea modelului standard al cosmologiei - cadrul central pe care cercetătorii îl folosesc pentru a înțelege originea, compoziția și forma universului. Dar studiile CMB cu iluminare de fundal amenință acum să facă găuri în această poveste.

„Această paradigmă a supraviețuit cu adevărat testului măsurătorilor de precizie – până de curând”, a spus Eiichiro Komatsu, un cosmolog la Institutul Max Planck pentru Astrofizică care a lucrat la stabilirea teoriei ca membru al Sondei Wilkinson Microwave Anisotropy, care a cartografiat CMB între 2001 și 2010. „S-ar putea să ne aflăm la răscrucea... a unui nou model al universului .”

În ultimii doi ani, Komatsu și colegii au investigat indicii ale unui nou personaj pe scena teatrului de umbre. Semnalul apare în polarizarea sau orientarea undelor de lumină CMB, despre care modelul standard al cosmologiei spune că ar trebui să rămână constantă în călătoria undelor prin univers. Dar ca teoretizat În urmă cu trei decenii, de către Sean Carroll și colegii, acea polarizare ar putea fi rotită de un câmp de materie întunecată, energie întunecată sau o particulă complet nouă. Un astfel de câmp ar face ca fotonii cu polarizări diferite să călătorească la viteze diferite și ar roti polarizarea netă a luminii, o proprietate cunoscută sub numele de „birefringență” care este împărtășită de anumite cristale, cum ar fi cele care activează ecranele LCD. În 2020, echipa lui Komatsu constatare raportată o mică rotație în polarizarea CMB - aproximativ 0.35 grade. Un studiu de urmărire publicat anul trecut a consolidat acel rezultat anterior.

Dacă studiul de polarizare sau alt rezultat legat de distribuția galaxiilor este confirmat, ar implica că universul nu arată la fel în toate direcțiile pentru toți observatorii. Pentru Hill și mulți alții, ambele rezultate sunt tentante, dar nu sunt încă definitive. Sunt în curs de desfășurare studii ulterioare pentru a investiga aceste indicii și pentru a exclude potențiale efecte de confuzie. Unii și-au propus chiar și un dedicat navă spațială „astronomie cu lumină de fundal”. care ar inspecta în continuare diferitele umbre.

„Cu cinci până la 10 ani în urmă, oamenii credeau că s-a terminat cosmologia”, a spus Komatsu. „Asta se schimbă acum. Intrăm într-o nouă eră.”