Anisotropierna av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, som observerats av ESA:s Planck mission. CMB är en ögonblicksbild av det äldsta ljuset i vårt kosmos, präglade på himlen när universum bara var 380 000 år gammalt. Den visar små temperaturfluktuationer som motsvarar regioner med något olika densiteter, representerar fröerna till all framtida struktur:dagens stjärnor och galaxer. Den första vyn i denna sekvens visar anisotropier i temperaturen hos CMB vid den fulla upplösningen erhållen av Planck. I den andra uppfattningen, temperaturanisotropierna har filtrerats för att visa mestadels signalen detekterad på skalor runt 5º på himlen. Den tredje vyn visar de filtrerade temperaturanisotropierna med en extra indikation på riktningen för den polariserade fraktionen av CMB. En liten del av CMB är polariserad – den vibrerar i en föredragen riktning. Detta är ett resultat av det senaste mötet av detta ljus med elektroner, precis innan den påbörjade sin kosmiska resa. Av denna anledning, polariseringen av CMB behåller information om fördelningen av materia i det tidiga universum, och dess mönster på himlen följer de små fluktuationer som observeras i temperaturen på CMB. Dessa bilder är baserade på data från Planck Legacy-releasen, uppdragets slutliga datarelease, publicerad i juli 2018. Kredit:ESA/Planck Collaboration
ESA:s Planck-satellit har inte hittat några nya bevis för de förbryllande kosmiska anomalierna som dök upp i dess temperaturkarta över universum. Den senaste studien utesluter inte möjligheten relevansen av anomalierna, men de menar astronomer måste arbeta ännu hårdare för att förstå ursprunget till dessa förbryllande egenskaper.
Plancks senaste resultaten kommer från en analys av polarisering av den kosmiska bakgrunds (CMB) strålnings de äldsta ljus i kosmiska historia, släpptes när universum bara var 380 000 år gammalt.
Satellitens första analys, som offentliggjordes 2013, koncentrerad på temperaturen för denna strålning över himlen. Detta gör det möjligt för astronomer att undersöka ursprunget och utvecklingen av kosmos. Även om det mestadels bekräftade standardbilden av hur vårt universum utvecklas, Plancks första karta avslöjade också ett antal anomalier som är svåra att förklara inom standardmodellen för kosmologi.
Anomalierna är svaga drag på himlen som uppträder i stora kantiga skalor. De är definitivt inte artefakter som produceras av satellitens beteende eller databehandling, men de är svag nog att de skulle kunna vara statistiska Flukes-fluktuationer som är extremt sällsynta, men inte helt uteslutas från standardmodellen.
Alternativt anomalierna kan vara ett tecken på "ny fysik", termen som används för ännu okända naturliga processer som skulle utöka fysikens kända lagar.
För att ytterligare undersöka arten av anomalierna, Planck-teamet tittade på polariseringen av CMB, som avslöjades efter en noggrann analys av multifrekvensdata utformad för att eliminera förgrundskällor för mikrovågsutsläpp, inklusive gas och damm i vår egen Vintergatans galax.
En sammanfattning av universums nästan 14 miljarder år långa historia, visar i synnerhet händelserna som bidrog till den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB. Tidslinjen i den övre delen av illustrationen visar en konstnärlig syn på kosmos utveckling i stor skala. Processerna som skildras sträcker sig från inflation, den korta eran av accelererad expansion som universum genomgick när det var en liten bråkdel av en sekund gammal, till frigivningen av CMB, det äldsta ljuset i vårt universum, präglade på himlen när kosmos bara var 380 000 år gammalt; och från "mörka medeltider" till födelsen av de första stjärnorna och galaxerna, som återjoniserade universum när det var några hundra miljoner år gammalt, ända fram till nutid. Tiny kvantfluktuationer som genereras under inflations epoken är frön av framtida struktur:stjärnorna och galaxerna i dag. Efter inflationens slut, mörk materia partiklar började klumpa sig runt dessa kosmiska frön, långsamt bygga ett kosmiskt nät av strukturer. Senare, efter utgivningen av CMB, normal materia började falla in i dessa strukturer, så småningom ger upphov till stjärnor och galaxer. Insatserna nedan visar en inzoomad med tanke på några av de mikroskopiska processer som äger rum under den kosmiska historia:från de små svängningar som genereras under inflation, till den täta soppan av ljus och partiklar som fyllde det tidiga universum; från den sista spridningen av lätta off elektroner, som gav upphov till CMB och dess polarisering, till universums återjonisering, orsakade av de första stjärnorna och galaxerna, vilket inducerade ytterligare polarisering på CMB. Kredit:ESA
Denna signal är den bästa mätningen hittills av de så kallade CMB-polarisations E-lägena, och går tillbaka till den tid då de första atomerna bildades i universum och CMB släpptes. Det produceras genom att ljus sprids från elektronpartiklar precis innan elektronerna samlades till väteatomer.
Polarisering ger en nästan oberoende bild av CMB, så om anomalierna också skulle dyka upp där, detta skulle öka astronomernas förtroende för att de skulle kunna orsakas av ny fysik snarare än att vara statistiska fläckar.
Även om Planck inte ursprungligen utformades för att fokusera på polarisering, dess observationer har använts för att skapa de mest exakta all-himlen kartor över CMB polarisation hittills. Dessa publicerades 2018, avsevärt förbättra kvaliteten på Plancks första polarisationskartor, släpptes 2015.
När Planck-teamet tittade på dessa data, de såg inga tydliga tecken på anomalierna. I bästa fall, analysen, publiceras idag i Astronomi och astrofysik , avslöjade några svaga antydningar om att några av anomalierna kan finnas.
"Plancks polarisationsmätningar är fantastiska, säger Jan Tauber, ESA Planck-projektforskare.
"Men trots de stora uppgifter vi har, vi ser inga betydande spår av anomalier."
Karta över polarisationsamplituden för kosmisk mikrovågsbakgrund (CMB), observerad av ESA:s Planck-satellit. Medan fluktuationer i CMB är närvarande och observerades av Planck ner till mycket små vinkelskalor, dessa bilder har filtrerats för att visa mestadels signalen som upptäckts på ganska stora skalor på himlen, runt 5 grader – som jämförelse, fullmånen sträcker sig över en halv grad. På dessa stora skalor, ett antal anomalier observeras i CMB-temperaturen - dessa är egenskaper som är svåra att förklara inom standardmodellen för kosmologi, som bygger på antagandet att universum, i stor skala, har samma egenskaper när den observeras i alla riktningar. Den allvarligaste anomalien är ett underskott i signalen som observeras på skalor runt 5 grader, vilket är cirka tio procent svagare än förutspått. Andra avvikande egenskaper är en betydande avvikelse i signalen som observerats i de två motsatta hemisfärerna på himlen (de två halvkloten är markerade av den stora, ungefär u-formad kurva i bilden, den norra är i centrum) och en så kallad "cold spot" – en stor, lågtemperaturfläck med en ovanligt brant temperaturprofil (platsen för denna plats är också skisserad nere till höger). Sådana anomalier upptäcktes inte, åtminstone inte på någon betydande nivå, i Plancks observationer av CMB-polarisationen. En jämförelse mellan den översta kartan, visar den totala Planck-mätningen – omfattande både signal och brus – med den nedre kartan, visar bara ljudet, anger att vissa onormala funktioner kan vara närvarande, såsom till exempel en maktasymmetri mellan de två hemisfärerna, men de är statistiskt inte övertygande. Bristen på statistiskt signifikanta anomalier i polarisationskartorna utesluter inte den potentiella relevansen av de som ses i temperaturen, men gör det ännu mer utmanande att förstå ursprunget till dessa förbryllande funktioner. Regioner som visas i grått på kartorna maskerades i analysen för att undvika kvarvarande förgrundsemission från vår Vintergatan eller extragalaktiska källor som påverkar de kosmologiska resultaten. Credit:ESA / Planck Collaboration
Ytligt sett, detta verkar göra att anomalierna mer sannolikt är statistiska slumpar, men faktiskt utesluter det inte ny fysik eftersom naturen kan vara knepigare än vi föreställer oss.
Hittills, det finns ingen övertygande hypotes för vilken typ av ny fysik som kan orsaka anomalierna. Så, det kan vara så att fenomenet som är ansvarigt bara påverkar temperaturen på CMB, men inte polariseringen.
Ur denna synvinkel, medan den nya analysen inte bekräftar att ny fysik äger rum, det sätter viktiga begränsningar på det.
Den allvarlig anomali som dök upp i CMB temperaturkarta är ett underskott i signalen observerades vid stora vinkel skalor på himlen, runt fem grader - som en jämförelse, fullmånen sträcker sig över en halv grad. I dessa stora skalor, Plancks mätningar är cirka tio procent svagare än vad standardmodellen för kosmologi skulle förutsäga.
Planck bekräftade också, med hög statistisk säkerhet, andra anomala egenskaper som antytts i tidigare observationer av CMB-temperaturen, såsom en betydande avvikelse i signalen som observeras i de två motsatta hemisfärerna på himlen, och en så kallad "cold spot" - en stor, lågtemperaturpunkt med en ovanligt brant temperaturprofil.
"Vi sa vid tidpunkten för den första releasen att Planck skulle testa anomalierna med hjälp av dess polarisationsdata. Den första uppsättningen polarisationskartor som är tillräckligt rena för detta ändamål släpptes 2018, nu har vi resultatet, ", Säger Krzysztof M. Górski, en av författarna till den nya tidningen, från Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, U.S.A.
Karta över den kosmiska mikrovågsbakgrundstemperaturen (CMB) som observerats av ESA:s Planck-satellit. Medan fluktuationer i CMB är närvarande och observerades av Planck ner till mycket små vinkelskalor, dessa bilder har filtrerats för att visa mestadels signalen som upptäckts på ganska stora skalor på himlen, runt 5 grader och mer – som en jämförelse, fullmånen sträcker sig över en halv grad. På dessa stora skalor, ett antal anomalier observeras i CMB-temperaturen - dessa är egenskaper som är svåra att förklara inom standardmodellen för kosmologi, som bygger på antagandet att universum, i stor skala, har samma egenskaper när den observeras i alla riktningar. Den allvarligaste anomalien är ett underskott i signalen som observeras på skalor runt 5 grader, vilket är cirka tio procent svagare än förutspått. Andra avvikande egenskaper är en betydande avvikelse i signalen som observerats i de två motsatta hemisfärerna på himlen (de två halvkloten är markerade av den stora, ungefär u-formad kurva i bilden, den norra är i centrum) och en så kallad "cold spot" – en stor, lågtemperaturpunkt med en ovanligt brant temperaturprofil (även skisserad nere till höger). En jämförelse mellan den översta kartan, visar den totala Planck-mätningen – omfattande både signal och brus – med den nedre kartan, visar bara ljudet, indikerar att de anomala egenskaperna uppenbarligen inte är artefakter eftersom de verkligen finns i signalen och inte i bruset. Sådana anomalier upptäcktes inte, åtminstone inte på någon betydande nivå, i Plancks observationer av CMB-polarisationen. Bristen på statistiskt signifikanta anomalier i polarisationskartorna utesluter inte den potentiella relevansen av de som ses i temperaturen, men gör det ännu mer utmanande att förstå ursprunget till dessa förbryllande funktioner. Regioner som visas i grått på kartorna maskerades i analysen för att undvika kvarvarande förgrundsemission från vår Vintergatan eller extragalaktiska källor som påverkar de kosmologiska resultaten. Credit:ESA / Planck Collaboration
Tyvärr, de nya uppgifterna tog inte debatten längre, eftersom de senaste resultaten varken bekräftar eller förnekar arten av anomalierna.
"Vi har några tips om att i polarisationskartorna, det kan finnas en effektasymmetri liknande den som observeras i temperaturkartorna, även om det fortfarande är statistiskt föga övertygande, " tillägger Enrique Martínez González, också medförfattare till tidningen, från Instituto de Física de Cantabria i Santander, Spanien.
Även om det kommer att finnas ytterligare analys av Planck-resultaten, det är osannolikt att de kommer att ge betydande nya resultat i detta ämne. Den självklara vägen att göra framsteg är för ett dedikerat uppdrag speciellt utformat och optimerat för att studera CMB-polariseringen, men detta ligger åtminstone 10 till 15 år in i framtiden.
"Planck har gett oss den bästa data vi kommer att ha under minst ett decennium, " säger medförfattaren Anthony Banday från Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie i Toulouse, Frankrike.
Sålänge, mysteriet med anomalierna fortsätter.
