Galaxer. sammanslagningar av stjärnor, interstellär gas, damm, stjärnskräp och mörk materia. De valsar genom det kalla universum, gravitationen vårdar deras famn. Ibland, galaxer snöar in i enorma galaxhopar med massor på i genomsnitt 100 biljoner gånger vår sols.

Men så var det inte alltid.

I spädbarnsuniversum, temperaturerna var så höga att elektroner och protoner var för varma för att bilda atomer. Allt var varmt, joniserad gas, inte olikt solens yta.

Under de kommande 400, 000 år, universum expanderade och svalnade till cirka 3, 000 grader Celsius, om temperaturen i en industriugn. Vid dessa temperaturer, elektroner och protoner kombinerade till väteatomer och frigjorde fotoner i processen. Detta ljus, kallas den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, har rest genom rymden sedan dess, ett vattenmärke av rum och tid.

Nu, forskare har hittat nya sätt att reta information ur denna outtömliga tidsmaskin.

Begränsande kosmologi med CMB-polarisering

I en studie publicerad i Fysiska granskningsbrev , Fermilab och University of Chicago-forskaren Brad Benson och kollegor använder polariseringen, eller orientering, av den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att beräkna massorna av enorma galaxhopar med hjälp av en ny matematisk estimator. Detta är första gången som forskare har mätt dessa massor med hjälp av polariseringen av CMB och den nya uppskattningsmetoden.

"Att göra denna uppskattning är viktigt eftersom det mesta av massan av galaxhopar inte ens är synligt - det är mörk materia, som inte avger ljus utan interagerar genom gravitationen och utgör cirka 85% av materien i vårt universum, " sa Benson.

Forskarnas arbete kan så småningom kasta ljus över mörk materia, mörk energi och kosmologiska parametrar som avslöjar mer om strukturbildning i universum.

Destination:Antarktis

Vid Amundsen-Scott South Pole Station, stödpersonal och forskare, smeknamnet "bägare, " arbeta dygnet runt för att hantera sydpolsteleskopet. Det är inte lätt arbete. Amundsen-Scott sydpolstation ligger på den sydligaste platsen på jorden, där medeltemperaturen är minus 47 grader Celsius och solen går upp och ned bara en gång om året. Men sydpolsteleskopet, ett 10-meters teleskop laddat med att observera den kosmiska mikrovågsbakgrunden, känd som CMB, är mer än kapabel att uppnå sina vetenskapliga mål i denna hårda miljö.

Kameran på sydpolsteleskopet mäter små fluktuationer i polariseringen av CMB-ljus över den södra himlen i storleksordningen 1 del på 100 miljoner i genomsnitt, känsligare än något annat experiment hittills.

"Dessa små variationer kan påverkas av stora objekt som galaxhopar, som fungerar som linser som skapar distinkta förvrängningar i vår signal, " sa Benson.

Signalen som Benson och andra forskare letade efter var en småskalig krusning runt galaxhopar – en effekt som kallas gravitationslinsning. Du kan själv se en liknande effekt genom att titta genom basen på ett klart vinglas bakom vilket ett ljus tänds.

"Om du tittar genom botten av en vinglasbas på en låga, du kan se en ring av ljus. Det är som effekten vi skulle se från en stark gravitationslins, " sa Benson. "Vi ser en liknande effekt här, förutom att distorsionen är mycket svagare och CMB-ljuset sprids ut över ett mycket större område på himlen."

Det var ett problem, dock. Forskare uppskattade att de skulle behöva titta på cirka 17, 000 galaxhopar för att mäta gravitationslinseffekten från CMB och uppskatta galaxhopmassorna med någon säkerhet, även med deras nya matematiska estimator. Medan South Pole Telescope gav djupare och känsligare mätningar av CMB:s polarisering än någonsin tidigare, dess bibliotek med galaxplatser innehöll endast cirka 1, 000 galaxhopar.

Destination:Chile

För att identifiera fler galaxklusterplatser från vilka man kan undersöka gravitationslinsningen av CMB-ljus runt galaxhopar, forskarna behövde resa ungefär 6, 000 kilometer norr om sydpolen till Atacama-regionen i Chile, hem till Cerro Tololo Inter-American Observatory.

The Dark Energy Camera, monterad 2, 200 meter över havet på 4-meters Blanco-teleskopet på Cerro Tololo, är en av de största digitalkamerorna i världen. Dess 520 megapixlar ser ljus från föremål som har sitt ursprung miljarder ljusår bort och fångar dem i oöverträffad kvalitet. Viktigast, kameran fångar ljuset och platserna för de 17, 000 galaxkluster forskare behövde observera gravitationslinser av CMB-ljus av galaxhopar.

Forskarna identifierade platserna för dessa kluster med hjälp av tre års data från den Fermilab-ledda Dark Energy Survey och placerade sedan dessa platser i ett datorprogram som sökte efter bevis för gravitationslinsning av klustren i polariseringen av CMB. När bevis väl hittats, de kunde själva beräkna massorna av galaxhoparna med sin nya matematiska estimator.

Destination:orörda platser

I den aktuella studien, forskarna fann att den genomsnittliga massan av galaxhopen var cirka 100 biljoner gånger vår sols massa, en uppskattning som överensstämmer med andra metoder. En betydande del av denna massa är i form av mörk materia.

För att undersöka djupare, forskarna planerar att utföra liknande experiment med en uppgraderad South Pole Telescope-kamera, SPT-3G, installerades 2017, och nästa generations CMB-experiment, CMB-S4, som kommer att erbjuda ytterligare förbättringar i känslighet och fler galaxhopar att undersöka.

CMB-S4 kommer att bestå av dedikerade teleskop utrustade med mycket känsliga supraledande kameror som arbetar på Sydpolen, den chilenska Atacama-platån och möjligen platser på norra halvklotet, tillåta forskare att begränsa inflationens parametrar, mörk energi och antalet och massorna av neutriner, och även testa allmän relativitet i stor skala.

Anthony Bourdain, en begåvad berättare och matskribent, en gång kallade Antarktis "den sista oförstörda platsen på jorden ... där människor samlas för att utforska den rena vetenskapens konst, letar efter något som kallas fakta."

Forskare går långt bortom Antarktis till en annan oförstörd plats, de yttersta delarna av vårt universum, att brottas med grundläggande kosmologiska parametrar och strukturens beteende i vårt universum.