Космический микроволновый фон — древнейший свет во Вселенной — преодолел огромные расстояния, прежде чем достичь нас. Во время длительного путешествия гравитационные силы массивных космических структур заставили его траекторию искривляться, прежде чем его удалось захватить телескопом Южного полюса. Фото: Чжаоди Пан/Аргоннская национальная лаборатория.
Уже более пяти лет ученые Южнополярного телескопа в Антарктиде наблюдают за небом с помощью модернизированной камеры. Расширенный взгляд на космос улавливает остатки света раннего формирования Вселенной. Теперь исследователи проанализировали первоначальную порцию данных и опубликовали подробности в журнале Physical Review D. Результаты этого ограниченного набора данных намекают на еще более мощные будущие идеи о природе нашей Вселенной.
Телескоп на Южнополярной станции Амундсен-Скотт, которой управляет Национальный научный фонд, в 2017 году получил новую камеру, известную как SPT-3G. Оснащенный 16 000 детекторами — в 10 раз больше, чем его предшественник — SPT-3G является центральным многоинституциональным исследованиям, частично проводимым Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE). Цель состоит в том, чтобы измерить слабый свет, известный как космический микроволновый фон (CMB). Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, когда Вселенная возникла из единой точки энергии почти 14 миллиардов лет назад.
«CMB — это карта сокровищ для космологов», — сказал Чжаоди Пан, ведущий автор статьи и научный сотрудник Марии Гепперт Майер в Аргонне. «Его незначительные изменения температуры и поляризации открывают уникальное окно в зарождение Вселенной».
В статье в журнале Physical Review D представлены первые измерения гравитационного линзирования реликтового излучения, полученные с помощью SPT-3G. Гравитационное линзирование происходит, когда обширная паутина материи Вселенной искажает реликтовое излучение при его движении в пространстве. Если бы вы поместили изогнутое основание бокала для вина на страницу книги, стакан исказил бы ваше представление о словах, стоящих за ним. Точно так же материя на луче зрения телескопа образует линзу, которая преломляет свет реликтового излучения и наше поле зрения на него. Альберт Эйнштейн описал это искривление ткани пространства-времени в своей общей теории относительности.
Измерения этого искажения содержат ключ к разгадке ранней Вселенной и таких загадок, как темная материя, невидимый компонент космоса. «Темную материю сложно обнаружить, поскольку она не взаимодействует со светом или другими формами электромагнитного излучения. В настоящее время мы можем наблюдать ее только через гравитационные взаимодействия», — сказал Пан.
Ученые изучают реликтовое излучение с момента его открытия в 1960-х годах, наблюдая за ним в телескопы как на земле, так и в космосе. Несмотря на то, что в новейшем анализе используются данные SPT-3G за несколько месяцев 2018 года, измерение гравитационного линзирования уже является конкурентоспособным в этой области.
«Одна из действительно захватывающих частей этого исследования заключается в том, что результат получен на основе данных, полученных в то время, когда мы только начинали наблюдения с помощью SPT-3G, — и результат уже великолепен», — сказала Эми Бендер, физик из Аргоннского и исследовательского университетов. соавтор статьи. «У нас есть данные еще за пять лет, над анализом которых мы сейчас работаем, так что это лишь намек на то, что нас ждет впереди».
В этом масштабированном распределении всей материи в наблюдаемой Вселенной, измеренном SPT-3G, красный цвет указывает на области с более высокой плотностью материи, а синий — с более низкой плотностью. Фото: Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.122005.
Сухая, стабильная атмосфера и удаленное расположение Южнополярного телескопа создают минимально возможные помехи при поиске моделей реликтового излучения. Тем не менее, данные высокочувствительной камеры SPT-3G содержат загрязнения из атмосферы, а также из нашей собственной галактики и внегалактических источников.
Анализ данных SPT-3G даже за несколько месяцев — это задача, которая длится годы, поскольку исследователям необходимо проверять данные, фильтровать шум и интерпретировать измерения. Команда использовала выделенный кластер, группу компьютеров, в Аргоннском лабораторном вычислительном ресурсном центре, чтобы выполнить некоторые расчеты для исследования.
«Мы обнаружили, что наблюдаемые в этом исследовании закономерности линзирования хорошо объясняются общей теорией относительности», — сказал Пан. «Это говорит о том, что наше нынешнее понимание гравитации справедливо и для этих больших масштабов. Результаты также укрепляют наше существующее понимание того, как структуры материи формировались в нашей Вселенной».
Карты линзирования SPT-3G, полученные за несколько лет, также помогут исследовать космическую инфляцию или идею о том, что ранняя Вселенная претерпела быстрое экспоненциальное расширение. Космическая инфляция является «еще одним краеугольным камнем космологии», отметил Пан, и ученые ищут признаки ранних гравитационных волн и другие прямые доказательства этой теории. Наличие гравитационного линзирования создает помехи инфляционным отпечаткам, что требует удаления такого загрязнения, которое можно рассчитать с помощью точных измерений линзирования.
Хотя некоторые результаты новых данных SPT-3G подкрепят имеющиеся знания, другие поставят новые вопросы.
«Каждый раз, когда мы добавляем больше данных, мы обнаруживаем больше вещей, которых не понимаем», — сказал Бендер, который работает на совместной работе в Чикагском университете. «Снимая слои этой луковицы, вы узнаете все больше и больше о своем инструменте, а также о своих научных измерениях неба».
О невидимых компонентах Вселенной известно так мало, что любое полученное понимание имеет решающее значение, сказал Пэн: «Чем больше мы узнаем о распределении темной материи, тем ближе мы подходим к пониманию ее природы и ее роли в формировании Вселенной, в которой мы живем. сегодня.»
Информация от: Аргоннской национальной лабораторией.
