Sence v poznem siju velikega poka razkrivajo nevidne kozmične strukture

Skoraj 400,000 let po velikem poku se je prvotna plazma mladega vesolja dovolj ohladila, da so se prvi atomi združili, kar je omogočilo, da se vgrajeno sevanje sprosti. Ta svetloba – kozmično mikrovalovno ozadje (CMB) – še naprej teče po nebu v vseh smereh in oddaja posnetek zgodnjega vesolja, ki so ga posneli namenski teleskopi in se celo razkrije v statiki na starih katodnih televizorjih.

Ko so znanstveniki leta 1965 odkrili sevanje CMB, so natančno preslikali njegove majhne temperaturne razlike, ki so pokazale točno stanje kozmosa ko je bila zgolj peneča se plazma. Zdaj spreminjajo namen podatkov CMB, da bi katalogizirali obsežne strukture, ki so se razvijale v milijardah let, ko je vesolje dozorevalo.

"Ta svetloba je doživela večji del zgodovine vesolja in ko vidimo, kako se je spremenila, se lahko naučimo o različnih obdobjih," je dejal Kimmy Wu, kozmolog v SLAC National Accelerator Laboratory.

V času svojega skoraj 14 milijard let dolgega potovanja je bila svetloba iz CMB raztegnjena, stisnjena in ukrivljena zaradi vseh snovi na njeni poti. Kozmologi začenjajo gledati onkraj primarnih nihanj v svetlobi CMB na sekundarne odtise, ki jih puščajo interakcije z galaksijami in drugimi kozmičnimi strukturami. Iz teh signalov pridobijo jasnejši pogled na porazdelitev tako navadne snovi – vsega, kar je sestavljeno iz atomskih delov – kot skrivnostne temne snovi. Ti vpogledi pa pomagajo razrešiti nekatere dolgoletne kozmološke skrivnosti in zastaviti nove.

»Zavedamo se, da nam CMB ne govori le o začetnih pogojih vesolja. Pove nam tudi o samih galaksijah,« je dejal Emmanuel Schaan, tudi kozmolog na SLAC. "In to se je izkazalo za res močno."

Vesolje senc

Standardne optične raziskave, ki sledijo svetlobi, ki jo oddajajo zvezde, spregledajo večino osnovne mase galaksij. To je zato, ker je velika večina celotne vsebnosti vesolja nevidna za teleskope - skrita iz vidnega polja bodisi kot kepe temne snovi bodisi kot razpršen ioniziran plin, ki premošča galaksije. Toda tako temna snov kot razpršeni plin pustita zaznavne odtise na povečavi in ​​barvi vhodne svetlobe CMB.

"Vesolje je v resnici gledališče senc, v katerem so galaksije protagonisti, CMB pa osvetlitev ozadja," je dejal Schaan.

Številni igralci v senci zdaj prihajajo na pomoč.

Ko svetlobni delci ali fotoni iz CMB razpršijo elektrone v plinu med galaksijami, jih udari k višjim energijam. Poleg tega, če se te galaksije gibljejo glede na vesolje, ki se širi, dobijo fotoni CMB drugi energijski premik, navzgor ali navzdol, odvisno od relativnega gibanja grozda.

Ta par učinkov, znan kot toplotni in kinematični učinek Sunyaev-Zel'dovich (SZ), je bil najprej teoretiziran v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, v zadnjem desetletju pa so jih zaznali z vse večjo natančnostjo. Učinki SZ skupaj pustijo značilen podpis, ki ga je mogoče razbrati iz slik CMB, kar znanstvenikom omogoča preslikavo lokacije in temperature vse običajne snovi v vesolju.

Nazadnje, tretji učinek, znan kot šibka gravitacijska leča, ukrivi pot svetlobe CMB, ko ta potuje blizu masivnih predmetov, kar popači CMB, kot da bi ga gledali skozi dno kozarca. Za razliko od učinkov SZ je leča občutljiva na vse snovi – temne ali druge.

Skupaj ti učinki omogočajo kozmologom, da ločijo navadno snov od temne snovi. Nato lahko znanstveniki prekrijejo te zemljevide s slikami iz raziskav galaksij, da izmerijo kozmične razdalje in celo nastajanje zvezd v sledovih.

In spremljevalec članki leta 2021 je ekipa pod vodstvom Schaana in Stefania Amodeo, ki je zdaj na astronomskem observatoriju v Strasbourgu v Franciji, je ta pristop uporabil. Pregledali so podatke CMB, ki jih je posnela Evropska vesoljska agencija Satelit Planck in na tleh Kozmološki teleskop Atacama, nato pa je na vrh teh zemljevidov zložil dodatno optično raziskavo skoraj 500,000 galaksij. Tehnika jim je omogočila merjenje poravnave navadne snovi in ​​temne snovi.

Analiza je pokazala, da plin v regiji ni objel podporne mreže temne snovi tako tesno, kot so predvidevali številni modeli. Namesto tega nakazuje, da so eksplozije supernov in kopičenje supermasivnih črnih lukenj potisnile plin stran od njegovih vozlišč temne snovi in ​​ga razširile tako, da je bil pretanek in hladen, da bi ga običajni teleskopi zaznali.

Odkrivanje tega razpršenega plina v sencah CMB je znanstvenikom pomagalo nadalje obravnavati tako imenovani problem manjkajočih barionov. Podal je tudi ocene za moč in temperaturo razpršilnih eksplozij - podatke, ki jih znanstveniki zdaj uporabljajo za izboljšanje svojih modelov evolucije galaksij in obsežne strukture vesolja.

V zadnjih letih je kozmologe begalo dejstvo, da je opazovana porazdelitev snovi v sodobnem vesolju bolj gladko, kot napoveduje teorija. Če so eksplozije, ki reciklirajo medgalaktični plin, bolj energične, kot so predvidevali znanstveniki, kot je nedavno delo Schaana, Amodea in drugi kaže, da bi lahko bili ti udari delno odgovorni za bolj enakomerno širjenje snovi po vesolju, je dejal Colin Hill, kozmolog na univerzi Columbia, ki se ukvarja tudi s podpisi CMB. V prihodnjih mesecih nameravajo Hill in njegovi sodelavci na kozmološkem teleskopu Atacama razkriti posodobljen zemljevid senc CMB z opaznim skokom v pokritosti neba in občutljivosti.

"Šele začeli smo praskati po površini, kaj lahko storite s tem zemljevidom," je dejal Hill. »To je senzacionalen napredek v primerjavi z vsem, kar je bilo prej. Težko je verjeti, da je resnično.”

Odtenki neznanega

CMB je bil ključni dokaz, ki je pomagal vzpostaviti standardni model kozmologije - osrednji okvir, ki ga raziskovalci uporabljajo za razumevanje izvora, sestave in oblike vesolja. Toda študije osvetlitve ozadja CMB zdaj grozijo, da bodo v tej zgodbi naredile luknje.

"Ta paradigma je resnično preživela preizkus natančnih meritev - do nedavnega," je dejal Eiichiro Komatsu, kozmolog na Inštitutu Maxa Plancka za astrofiziko, ki je delal na vzpostavitvi teorije kot član Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, ki je preslikala CMB med letoma 2001 in 2010. »Morda smo na razpotju … novega modela vesolja .”

V zadnjih dveh letih so Komatsu in njegovi sodelavci preiskovali namige o novem liku na odru senčnega gledališča. Signal se pojavi v polarizaciji ali orientaciji svetlobnih valov CMB, za katere standardni model kozmologije pravi, da morajo ostati konstantni na potovanju valov po vesolju. Ampak, kot teorijo Sean Carroll in njegovi sodelavci pred tremi desetletji so to polarizacijo lahko vrteli s poljem temne snovi, temne energije ali kakšnim popolnoma novim delcem. Takšno polje bi povzročilo, da bi fotoni različnih polarizacij potovali z različnimi hitrostmi in zavrteli neto polarizacijo svetlobe, kar je lastnost, znana kot "dvolomnost", ki je skupna nekaterim kristalom, na primer tistim, ki omogočajo zaslone LCD. Leta 2020 ekipa Komatsu poročali o najdbi majhna rotacija v polarizaciji CMB - približno 0.35 stopinje. Nadaljnja študija objavljeno lani okrepil prejšnji rezultat.

Če polarizacijska študija oz drug rezultat povezana s porazdelitvijo galaksij potrjena, bi to pomenilo, da vesolje vsem opazovalcem ni videti enako v vseh smereh. Za Hilla in mnoge druge sta oba rezultata moteča, vendar še nista dokončna. V teku so nadaljnje študije, da bi raziskali te namige in izključili morebitne moteče učinke. Nekateri so celo predlagali namensko »backlight astronomy« vesoljsko plovilo ki bi dodatno pregledal različne sence.

"Pred petimi do desetimi leti so ljudje mislili, da je kozmologija končana," je dejal Komatsu. »To se zdaj spreminja. Vstopamo v novo obdobje.”