เงาในสายัณห์บิ๊กแบงเผยให้เห็นโครงสร้างจักรวาลที่มองไม่เห็น

เกือบ 400,000 ปีหลังจากบิกแบง พลาสมาในยุคแรกเริ่มของเอกภพแรกเกิดเย็นลงมากพอที่อะตอมแรกจะรวมตัวกัน ทำให้มีช่องว่างสำหรับการแผ่รังสีที่ฝังอยู่ให้ลอยขึ้นอย่างอิสระ แสงนั้น — พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) — ยังคงไหลผ่านท้องฟ้าในทุกทิศทาง แพร่ภาพของเอกภพในยุคแรกเริ่มที่จับภาพโดยกล้องโทรทรรศน์เฉพาะ และแม้แต่เปิดเผยในโทรทัศน์รังสีแคโทดรุ่นเก่า

หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบการแผ่รังสี CMB ในปี 1965 พวกเขาได้ทำแผนที่การแปรผันของอุณหภูมิเล็กน้อยอย่างพิถีพิถัน ซึ่งแสดง สถานะที่แน่นอนของจักรวาล เมื่อมันเป็นเพียงฟองพลาสมา ตอนนี้พวกเขากำลังปรับเปลี่ยนข้อมูล CMB เพื่อจัดทำรายการโครงสร้างขนาดใหญ่ที่พัฒนาขึ้นเป็นเวลาหลายพันล้านปีในขณะที่เอกภพเติบโตเต็มที่

“แสงนั้นมีประสบการณ์มากมายในประวัติศาสตร์ของจักรวาล และด้วยการเห็นว่ามันเปลี่ยนแปลงอย่างไร เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับยุคต่างๆ ได้” กล่าว คิมมี่ วูนักจักรวาลวิทยาแห่ง SLAC National Accelerator Laboratory

ตลอดการเดินทางเกือบ 14 พันล้านปี แสงจาก CMB ถูกยืด บีบ และบิดเบี้ยวโดยสสารทั้งหมดที่ขวางทาง นักจักรวาลวิทยาเริ่มมองข้ามความผันผวนหลักในแสง CMB ไปสู่รอยประทับรองที่เหลือจากการมีปฏิสัมพันธ์กับดาราจักรและโครงสร้างจักรวาลอื่นๆ จากสัญญาณเหล่านี้ พวกเขาได้รับมุมมองที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการกระจายตัวของทั้งสสารธรรมดา – ทุกสิ่งที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนอะตอม – และสสารมืดลึกลับ ในทางกลับกัน ข้อมูลเชิงลึกเหล่านั้นกำลังช่วยไขความลึกลับเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาที่มีมาอย่างยาวนานและก่อให้เกิดสิ่งใหม่ๆ

“เราตระหนักดีว่า CMB ไม่เพียงบอกเราเกี่ยวกับเงื่อนไขเริ่มต้นของเอกภพเท่านั้น นอกจากนี้ยังบอกเราเกี่ยวกับกาแลคซีด้วย” กล่าว เอ็มมานูเอล ชานยังเป็นนักจักรวาลวิทยาที่ SLAC “และนั่นก็กลายเป็นว่าทรงพลังจริงๆ”

จักรวาลแห่งเงา

การสำรวจด้วยแสงมาตรฐานซึ่งติดตามแสงที่ดาวเปล่งออกมา มองข้ามมวลส่วนใหญ่ของกาแลคซี นั่นเป็นเพราะว่าสสารส่วนใหญ่ในเอกภพไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งซ่อนตัวอยู่ให้พ้นสายตา ไม่ว่าจะเป็นก้อนสสารมืดหรือก๊าซไอออไนซ์ที่กระจายตัวซึ่งเชื่อมระหว่างกาแลคซี แต่ทั้งสสารมืดและก๊าซที่ลอยอยู่ทิ้งร่องรอยที่ตรวจจับได้ไว้บนกำลังขยายและสีของแสง CMB ที่เข้ามา

Schaan กล่าวว่า "จักรวาลเป็นโรงละครเงาที่มีกาแลคซีเป็นตัวชูโรงและ CMB เป็นแบ็คไลท์" Schaan กล่าว

นักเล่นเงาหลายคนเริ่มโล่งใจแล้ว

เมื่ออนุภาคแสงหรือโฟตอนจาก CMB โปรยอิเล็กตรอนในก๊าซระหว่างกาแลคซี พวกมันจะถูกชนเข้ากับพลังงานที่สูงขึ้น นอกจากนี้ หากกาแลคซีเหล่านั้นเคลื่อนไหวตามเอกภพที่กำลังขยายตัว โฟตอน CMB จะมีการเลื่อนพลังงานเป็นครั้งที่สอง ไม่ว่าจะขึ้นหรือลงขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของกระจุกดาว

เอฟเฟกต์คู่นี้ รู้จักกันในชื่อเอฟเฟกต์ความร้อนและไคเนมาติก Sunyaev-Zel'dovich (SZ) ตามลำดับ ทฤษฎีครั้งแรก ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 และตรวจพบด้วยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นในทศวรรษที่ผ่านมา เอฟเฟ็กต์ SZ เมื่อรวมกันจะทิ้งลักษณะเฉพาะที่สามารถถอดออกมาจากภาพ CMB ได้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่ตำแหน่งและอุณหภูมิของสสารธรรมดาทั้งหมดในเอกภพได้

ในที่สุด เอฟเฟกต์ที่สามที่เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วงอย่างอ่อนทำให้เส้นทางของแสง CMB บิดเบี้ยวขณะที่มันเคลื่อนที่เข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่ ทำให้ CMB บิดเบี้ยวราวกับว่ามองผ่านฐานของแก้วไวน์ ซึ่งแตกต่างจากเอฟเฟ็กต์ SZ เลนส์จะไวต่อสสารทั้งหมด — ที่มืดหรืออื่นๆ

เมื่อนำมารวมกัน ผลกระทบเหล่านี้ทำให้นักจักรวาลวิทยาสามารถแยกสสารธรรมดาออกจากสสารมืดได้ จากนั้นนักวิทยาศาสตร์สามารถซ้อนแผนที่เหล่านี้ด้วยภาพจากการสำรวจกาแล็กซีเพื่อวัดระยะทางในจักรวาลและแม้กระทั่ง ติดตามการก่อตัวของดาว.

In สหาย เอกสาร ในปี 2021 ทีมที่นำโดย Schaan และ สเตฟาเนีย อาโมเดโอซึ่งขณะนี้อยู่ที่ Strasbourg Astronomical Observatory ในฝรั่งเศส นำแนวทางนี้ไปใช้ได้ผล พวกเขาตรวจสอบข้อมูล CMB ของ European Space Agency ดาวเทียมพลังค์ และแบบภาคพื้นดิน กล้องโทรทรรศน์จักรวาลวิทยา Atacamaจากนั้นนำการสำรวจทางแสงเพิ่มเติมของกาแลคซีเกือบ 500,000 กาแล็กซีมาซ้อนกันบนแผนที่เหล่านั้น เทคนิคนี้ทำให้พวกเขาวัดการเรียงตัวของสสารธรรมดาและสสารมืดได้

การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าก๊าซของภูมิภาคนี้ไม่ได้โอบกอดเครือข่ายสสารมืดที่รองรับอย่างแน่นหนาอย่างที่หลายๆ โมเดลคาดการณ์ไว้ แต่เป็นการชี้ให้เห็นว่าการระเบิดจากซุปเปอร์โนวาและหลุมดำมวลมหาศาลที่สะสมตัวขึ้นได้บีบให้ก๊าซเคลื่อนตัวออกจากโหนดสสารมืด กระจายออกไปจนบางและเย็นเกินกว่าที่กล้องโทรทรรศน์ทั่วไปจะตรวจจับได้

การตรวจพบก๊าซที่ฟุ้งกระจายในเงา CMB ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จัดการกับสิ่งที่เรียกว่าเพิ่มเติมได้ หมดปัญหาแบริออน. นอกจากนี้ยังให้ค่าประมาณสำหรับความแรงและอุณหภูมิของการระเบิดที่กระจายตัว ซึ่งเป็นข้อมูลที่นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้เพื่อปรับแต่งแบบจำลองวิวัฒนาการของดาราจักรและโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักจักรวาลวิทยารู้สึกงงงวยกับข้อเท็จจริงที่ว่าการกระจายตัวของสสารที่สังเกตได้ในเอกภพสมัยใหม่นั้นเป็นอย่างไร ราบรื่นกว่าที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้. หากการระเบิดที่นำก๊าซอวกาศกลับมาใช้ใหม่นั้นมีพลังมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้ ดังเช่นงานล่าสุดของ Schaan, Amodeo และ คนอื่น ๆ ดูเหมือนว่าจะชี้ให้เห็นว่าการระเบิดเหล่านี้มีส่วนรับผิดชอบบางส่วนที่ทำให้สสารกระจายไปทั่วจักรวาลอย่างเท่าเทียมกันมากขึ้น คอลิน ฮิลล์นักจักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียซึ่งทำงานเกี่ยวกับลายเซ็น CMB เช่นกัน ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า ฮิลล์และเพื่อนร่วมงานที่ Atacama Cosmology Telescope วางแผนที่จะเปิดเผยแผนที่เงา CMB ที่ปรับปรุงใหม่โดยมีการเพิ่มขึ้นอย่างมากทั้งการครอบคลุมท้องฟ้าและความไวแสง

“เราเพิ่งเริ่มต้นที่จะเกาพื้นผิวของสิ่งที่คุณสามารถทำได้กับแผนที่นี้” ฮิลล์กล่าว “มันเป็นการปรับปรุงที่น่าตื่นเต้นกว่าทุกสิ่งที่เคยมีมาก่อน มันยากที่จะเชื่อว่ามันเป็นเรื่องจริง”

เฉดสีที่ไม่รู้จัก

CMB เป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่ช่วยสร้างแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา ซึ่งเป็นกรอบหลักที่นักวิจัยใช้เพื่อทำความเข้าใจต้นกำเนิด องค์ประกอบ และรูปร่างของเอกภพ แต่การศึกษาแบ็คไลท์ของ CMB กำลังขู่ว่าจะเจาะรูในเรื่องนั้น

“กระบวนทัศน์นี้รอดพ้นจากการทดสอบการวัดที่แม่นยำจริงๆ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้” กล่าว เออิจิโร โคมัตสึนักจักรวาลวิทยาแห่งสถาบันมักซ์พลังค์สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ทำงานเพื่อสร้างทฤษฎีในฐานะสมาชิกของ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ซึ่งทำแผนที่ CMB ระหว่างปี 2001 และ 2010 “เราอาจอยู่ที่ทางแยก … แบบจำลองใหม่ของจักรวาล ”

ในช่วงสองปีที่ผ่านมา Komatsu และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบคำใบ้ของตัวละครใหม่บนเวทีละครเงา สัญญาณจะปรากฏในโพลาไรเซชันหรือการวางแนวของคลื่นแสง CMB ซึ่งแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยากล่าวว่าควรคงที่ตลอดการเดินทางของคลื่นทั่วจักรวาล แต่อย่างว่า ทฤษฎี เมื่อสามทศวรรษที่แล้วโดย Sean Carroll และเพื่อนร่วมงาน กล่าวว่าโพลาไรเซชันสามารถหมุนได้ด้วยสนามสสารมืด พลังงานมืด หรืออนุภาคใหม่ทั้งหมด สนามดังกล่าวจะทำให้โฟตอนที่มีโพลาไรเซชันต่างกันเดินทางด้วยความเร็วต่างกันและหมุนโพลาไรเซชันสุทธิของแสง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่า "ไบรีฟริงเจนซ์" ซึ่งใช้ร่วมกันโดยคริสตัลบางชนิด เช่น คริสตัลที่เปิดใช้งานหน้าจอ LCD ในปี 2020 ทีมงานของโคมัตสึ รายงานการค้นพบ การหมุนเล็กน้อยในโพลาไรซ์ของ CMB - ประมาณ 0.35 องศา การศึกษาติดตามผล เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว เสริมความแข็งแกร่งให้กับผลลัพธ์ก่อนหน้านี้

ถ้าการศึกษาโพลาไรซ์หรือ ผลลัพธ์อื่น ที่เกี่ยวข้องกับการกระจายตัวของกาแล็กซีได้รับการยืนยันแล้ว แสดงว่าเอกภพไม่ได้มีลักษณะเหมือนกันในทุกทิศทางสำหรับผู้สังเกตทุกคน สำหรับฮิลล์และคนอื่น ๆ ผลลัพธ์ทั้งสองนั้นยั่วเย้า แต่ยังไม่เป็นที่แน่ชัด การศึกษาติดตามผลกำลังดำเนินการเพื่อตรวจสอบคำแนะนำเหล่านี้และแยกแยะผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น บางคนได้เสนอให้ทุ่มเท ยานอวกาศ "ดาราศาสตร์ย้อนแสง" ที่จะตรวจสอบเงาต่าง ๆ ต่อไป

“เมื่อ 10-XNUMX ปีที่แล้ว ผู้คนคิดว่าจักรวาลวิทยาเสร็จสิ้นแล้ว” Komatsu กล่าว “นั่นกำลังเปลี่ยนไปแล้ว เรากำลังเข้าสู่ยุคใหม่”