Observationer från Arecibo-observatoriet av galaktisk neutral vätestruktur bekräftar upptäckten av ett oväntat bidrag till mätningarna av den kosmiska mikrovågsbakgrunden som observerats av rymdfarkosterna WMAP och Planck. En korrekt förståelse av strålningskällorna i förgrunden (galaktiska) observerade av dessa två rymdfarkoster är avgörande för att utvinna information om den småskaliga strukturen i den kosmiska mikrovågsbakgrunden som tros vara indikativ för händelser i det tidiga universum.

Den nya strålningskällan i intervallet 22 till 100 GHz som observerats av WMAP och Planck verkar vara emission från kalla elektroner (känd som fri-fri emission). Medan kosmologer har korrigerat för denna typ av strålning från heta elektroner associerade med galaktiska nebulosor där källtemperaturerna är tusentals grader, den nya modellen kräver elektrontemperaturer mer som några 100 K.

Spektrum av småskaliga egenskaper som observerats av WMAP och Planck i detta frekvensområde är mycket nästan platt - ett fynd som överensstämmer med källorna som är associerade med Big Bang. Vid första anblicken verkar det som om det spektrum som förväntas från utsläpp från kalla galaktiska elektroner, som finns i det interstellära rymden, skulle vara alldeles för brant för att passa data. Dock, om emissionskällorna har en liten vinkelstorlek jämfört med strålbredden som används i rymdfarkosterna WMAP och Planck, signalerna de spelar in skulle spädas ut. Strålbredden ökar med lägre frekvens, och nettoresultatet av denna "stråleutspädning" är att producera ett till synes platt spektrum i intervallet 22 till 100 GHz.

"Det var strålspädningen som var nyckelinsikten, " noterade Dr Gerrit Verschuur, astronom emeritus vid Arecibo Observatory och huvudförfattare på tidningen. "Emission från en olöst källa kan efterlikna det platta spektrum som observerats av WMAP och Planck."

Modellen som åberopar emissionen från kalla elektroner ger inte bara det observerade platta spektrumet som vanligtvis tillskrivs kosmiska källor utan förutsäger också värden för vinkelskalan och temperaturen för de emitterande volymerna. Dessa förutsägelser kan sedan jämföras med observationer av galaktisk struktur som avslöjades i undersökningen Galactic Arecibo L-Band Feed Array (GALFA) HI.

"Det interstellära mediet är mycket mer överraskande och viktigare än vi har gett det kredit för, " noterade Dr. Joshua Peek, en astronom vid Space Telescope Science Institute och en medutredare på GALFA-HI-undersökningen. "Arecibo, med sin kombination av stor yta och hög upplösning, är fortfarande ett spektakulärt och banbrytande verktyg för att jämföra ISM-kartor med kosmologiska datamängder."

Vinkelskalorna för de minsta särdragen som observerats i neutrala vätekartor gjorda vid Arecibo och temperaturen på den uppenbarligen associerade gasen matchar båda modellberäkningarna extremt väl. Hittills har endast tre väl studerade områden analyserats så detaljerat, men mer arbete planeras.

"Det var överensstämmelsen mellan modellförutsägelserna och GALFA-HI-observationerna som övertygade mig om att vi kanske är inne på något, " noterade Dr Joan Schmelz, Direktör, Universities Space Research Association (USRA) vid Arecibo Observatory och en medförfattare på papperet. "Vi hoppas att dessa resultat hjälper oss att förstå den sanna kosmologiska naturen hos Planck- och WMAP-data."

Data antyder att strukturen och fysiken hos diffus interstellär materia, särskilt av kall vätgas och tillhörande elektroner, kan vara mer komplicerat än hittills ansetts. Sådana komplexiteter måste tas i beaktande för att producera bättre förgrundsmasker för applicering på högfrekventa kontinuumobservationer av Planck och WMAP i jakten på en kosmologiskt signifikant signal.

USRA:s Dr Joan Schmelz kommer att presentera dessa resultat den 4 januari, 2017, vid en presskonferens vid American Astronomical Societys (AAS) möte på Grapevine, Texas.