Skuggor i Big Bang Afterglow avslöjar osynliga kosmiska strukturer

Nästan 400,000 XNUMX år efter Big Bang svalnade spädbarnsuniversums urplasma tillräckligt för att de första atomerna skulle smälta samman, vilket gjorde utrymme för den inbäddade strålningen att sväva fritt. Det ljuset – den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – fortsätter att strömma genom himlen i alla riktningar och sänder en ögonblicksbild av det tidiga universum som plockas upp av dedikerade teleskop och till och med avslöjas i statiken på gamla katodstråle-TV-apparater.

Efter att forskare upptäckte CMB-strålningen 1965, kartlade de noggrant dess små temperaturvariationer, vilket visade det exakta tillståndet i kosmos när det bara var en skummande plasma. Nu återanvänder de CMB-data för att katalogisera de storskaliga strukturerna som utvecklades under miljarder år när universum mognade.

"Det ljuset upplevde en stor del av universums historia, och genom att se hur det har förändrats kan vi lära oss om olika epoker," sa Kimmy Wu, en kosmolog vid SLAC National Accelerator Laboratory.

Under loppet av sin nästan 14 miljarder år långa resa har ljuset från CMB sträckts ut, klämts och förvrängts av all materia i dess väg. Kosmologer börjar se bortom de primära fluktuationerna i CMB-ljuset till de sekundära avtrycken som lämnas av interaktioner med galaxer och andra kosmiska strukturer. Från dessa signaler får de en skarpare bild av fördelningen av både vanlig materia - allt som består av atomdelar - och den mystiska mörka materien. I sin tur hjälper dessa insikter till att lösa några långvariga kosmologiska mysterier och ställa upp några nya.

"Vi inser att CMB inte bara berättar om universums initiala förutsättningar. Det berättar också om galaxerna själva”, sa Emmanuel Schaan, också en kosmolog vid SLAC. "Och det visar sig vara riktigt kraftfullt."

Ett universum av skuggor

Optiska standardundersökningar, som spårar ljuset som sänds ut av stjärnor, förbiser de flesta av galaxernas underliggande massa. Det beror på att den stora majoriteten av universums totala materiainnehåll är osynligt för teleskop - undangömt utom synhåll antingen som klumpar av mörk materia eller som den diffusa joniserade gasen som överbryggar galaxer. Men både den mörka materian och den utströdda gasen lämnar spårbara avtryck på förstoringen och färgen på det inkommande CMB-ljuset.

"Universum är verkligen en skuggteater där galaxerna är huvudpersonerna och CMB är bakgrundsbelysningen," sa Schaan.

Många av skuggspelarna kommer nu i lättnad.

När ljuspartiklar, eller fotoner, från CMB sprider elektroner i gasen mellan galaxer, stöts de till högre energier. Dessutom, om dessa galaxer är i rörelse med avseende på det expanderande universum, får CMB-fotonerna ett andra energiskifte, antingen uppåt eller nedåt beroende på klustrets relativa rörelse.

Detta par av effekter, kända som de termiska respektive kinematiska Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effekterna, var först teoretiserade i slutet av 1960-talet och har upptäckts med ökande precision under det senaste decenniet. Tillsammans lämnar SZ-effekterna en karakteristisk signatur som kan retas ur CMB-bilder, vilket gör att forskare kan kartlägga platsen och temperaturen för all vanlig materia i universum.

Slutligen, en tredje effekt känd som svag gravitationslins förvränger vägen för CMB-ljus när det färdas nära massiva föremål, vilket förvränger CMB som om det sågs genom basen av ett vinglas. Till skillnad från SZ-effekterna är linser känsliga för all materia - mörk eller på annat sätt.

Sammantaget tillåter dessa effekter kosmologer att skilja den vanliga materien från den mörka materien. Sedan kan forskare lägga över dessa kartor med bilder från galaxundersökningar för att mäta kosmiska avstånd och till och med spåra stjärnbildning.

In följeslagare papper 2021, ett team ledd av Schaan och Stefania Amodeo, som nu befinner sig vid Strasbourgs astronomiska observatorium i Frankrike, använde detta tillvägagångssätt. De undersökte CMB-data som tagits av Europeiska rymdorganisationen Planck satellit och den markbaserade Atacama kosmologiteleskop, sedan staplade ovanpå dessa kartor en extra optisk undersökning av nästan 500,000 XNUMX galaxer. Tekniken gjorde det möjligt för dem att mäta anpassningen av vanlig materia och mörk materia.

Analysen visade att regionens gas inte kramade om sitt stödjande nätverk av mörk materia så hårt som många modeller förutspådde. Istället tyder det på att sprängningar från supernovor och anhopande supermassiva svarta hål tvingade gasen bort från dess noder av mörk materia och spred ut den så att den var för tunn och kall för konventionella teleskop att upptäcka.

Att upptäcka den diffusa gasen i CMB-skuggor har hjälpt forskare att ytterligare ta itu med den så kallade problem med saknade baryoner. Det har också gett uppskattningar för styrkan och temperaturen hos de spridande explosionerna - data som forskare nu använder för att förfina sina modeller av galaxutvecklingen och universums storskaliga struktur.

Under de senaste åren har kosmologer varit förbryllade över det faktum att den observerade fördelningen av materia i det moderna universum är smidigare än vad teorin förutspår. Om explosionerna som återvinner intergalaktisk gas är mer energiska än forskarna antog, som det senaste arbetet av Schaan, Amodeo och andra tycks antyda att dessa sprängningar kan vara delvis ansvariga för att ha spridit materia jämnare över universum, sa Colin Hill, en kosmolog vid Columbia University som också arbetar med CMB-signaturer. Under de kommande månaderna planerar Hill och kollegor vid Atacama Cosmology Telescope att avslöja en uppdaterad karta över CMB-skuggor med ett anmärkningsvärt hopp i både skyltäckning och känslighet.

"Vi har bara börjat skrapa på ytan av vad du kan göra med den här kartan," sa Hill. "Det är en sensationell förbättring jämfört med allt som har kommit tidigare. Det är svårt att tro att det är sant."

Nyanser av det okända

CMB var ett viktigt bevis som hjälpte till att etablera standardmodellen för kosmologi - det centrala ramverket som forskare använder för att förstå universums ursprung, sammansättning och form. Men CMB-bakgrundsbelysningsstudierna hotar nu att sticka hål i den historien.

"Detta paradigm överlevde verkligen testet med precisionsmätningar - tills nyligen," sa Eiichiro Komatsu, en kosmolog vid Max Planck Institute for Astrophysics som arbetade för att etablera teorin som en medlem av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, som kartlade CMB mellan 2001 och 2010. "Vi kan stå vid vägskälet ... av en ny modell av universum .”

Under de senaste två åren har Komatsu och kollegor undersökt antydningar om en ny karaktär på skuggteaterscenen. Signalen visas i polariseringen, eller orienteringen, av CMB-ljusvågor, som standardmodellen för kosmologi säger bör förbli konstant på vågornas resa över universum. Men som teoretiserade för tre decennier sedan av Sean Carroll och kollegor, att polarisering kunde roteras av ett fält av mörk materia, mörk energi eller någon helt ny partikel. Ett sådant fält skulle få fotoner med olika polarisationer att färdas med olika hastigheter och rotera ljusets nettopolarisering, en egenskap som kallas "dubbelbrytning" som delas av vissa kristaller, till exempel de som möjliggör LCD-skärmar. 2020, Komatsus team rapporterat fynd en liten rotation i CMB:s polarisering — cirka 0.35 grader. En uppföljande studie publicerades förra året stärkte det tidigare resultatet.

Om polarisationsstudien eller ett annat resultat relaterat till fördelningen av galaxer bekräftas, skulle det innebära att universum inte ser likadant ut i alla riktningar för alla observatörer. För Hill och många andra är båda resultaten lockande men ännu inte definitiva. Uppföljningsstudier pågår för att undersöka dessa tips och utesluta potentiella förvirrande effekter. Vissa har till och med föreslagit en dedikerad "bakgrundsbelysning astronomi" rymdfarkoster som skulle inspektera de olika skuggorna ytterligare.

"För fem till tio år sedan trodde folk att kosmologin var klar," sa Komatsu. "Det håller på att förändras nu. Vi går in i en ny era.”