Genom att kartlägga kosmos från dess isolerade position i Antarktis, syftar ett samarbetsprojekt till att avslöja insikter om universums början.

På sommaren på Sydpolen, som varar från november till februari, är medeltemperaturen bitande minus 18 grader F. Solen går inte ner under denna tid, vilket gör sömnen till en utmaning. Miljön är hård och torr. Och internetanslutningen vid Amundsen–Scott South Pole Station, när du kan komma åt den, är smärtsamt långsam.

Å andra sidan är distraktioner från arbetet få och landskapet är fantastiskt. Måltiderna från köket på plats är fantastiska. Den bästa delen? Det finns en oöverträffad syn på det tidiga universum.

Se det äldsta ljuset i universum

Den utsikten, som kommer från forskningsstationens sydpolsteleskop (SPT), är inte vad många av oss skulle föreställa oss när vi tittar upp mot himlen. Istället för stjärnor och planeter ser SPT:s bilder mer ut som en målning av Jackson Pollock. De fångar data relaterade till universums ursprung och dess utveckling under miljarder år.

Sedan SPT började fungera 2007 har det hjälpt forskare att upptäcka över 1 000 gigantiska galaxhopar (inklusive några riktigt exceptionella sådana) och har förändrat vår förståelse av perioden då de första stjärnorna bildades, bland andra uppenbarelser. Över 20 universitet och U.S. Department of Energy (DOE) forskningsanläggningar, inklusive Argonne National Laboratory, samarbetar i arbetet.

Det 33 fot långa teleskopet använder detektorer som utvecklats och byggts i Argonne för att studera den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). CMB består av ljus som producerades när universum var cirka 380 000 år gammalt. På den tiden var babyuniversum ett intensivt hett plasma, och glöden som det producerade har färdats genom rymden i cirka 14 miljarder år.

"Att titta på den kosmiska mikrovågsbakgrunden, måla vårt tidiga universum och koppla det till de observationer vi ser idag, utgör en av de viktigaste grundpelarna i vår kosmologiska modell", säger Lindsey Bleem, fysiker vid Argonne som samlar in och analyserar data från SPT.

Antarktis är en av de bästa platserna i världen för att upptäcka denna svaga signal eftersom det i huvudsak är en frusen öken och mycket torr. Vatten i luften kan skapa "brus" i en vy av himlen med ett teleskop, förklarade Bleem, vilket gör bilden mindre tydlig. SPT:s miljö är så fri från störningar som möjligt på jorden.

För det mesta kan forskare samla in och arbeta med SPT:s data från Argonne i Illinois eller från någon annanstans som är inställd för att komma åt data på distans. Men ibland kräver underhåll och uppgraderingar som en tredje generationens kamera installerad 2017 resor till den här anläggningen mitt i en frusen öken.

Oavsett om det handlar om att ta itu med den gnistrande kylan, vänta på att förnödenheter ska komma in eller se till att utrustningen underhålls och väderbeständig, kan den avlägsna platsen vara skrämmande. Enbart bristen på fuktighet är "något som är lite utmanande och som också kan störa hur saker och ting går från dag till dag", säger Clarence Chang, en Argonne-fysiker som utvecklar supraledande detektorer för SPT.

En uppsida:Under teleskopets sommarsäsong tillhandahåller personalkockar måltider till besökande forskare, och "maten är helt fantastisk", sa Bleem.

Superledande detektorer

2017 års uppgradering till SPT:s kamera tog den från 1 600 till 16 000 detektorer. Aggregerade tillsammans liknar detektorerna en bikaka som mäter cirka 17 tum i diameter. Detektorerna hålls mycket kallare än till och med den kallaste antarktiska natten, strax över absolut noll, eller minus 459 F. Temperaturen, i kombination med känsligheten hos deras supraledande material, hjälper dem att registrera det mycket svaga ljuset från CMB.

Forskare utnyttjade Argonnes Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-användaranläggning, för att tillverka detektorerna. Anläggningens utrustning gör det möjligt att kontrollera supraledande material och bearbeta dem konsekvent.

Ett av forskningsmålen med CMB-observationer är att utforska en teori som kallas kosmisk inflation, idén att det tidiga universum genomgick en massiv, ofattbart snabb expansion. Den teorin är förknippad med förutsägelser av särskilda mönster i CMB.

"Dessa förutsägelser är extremt utmanande att mäta. Signalerna är mycket svaga, vilket kräver att man bygger otroligt känsliga instrument," sa Chang.

SPT påbörjade en sexårig undersökning med den nya kameran 2018. Den förbättrade detektoruppsättningen, i kombination med år av observation, är lite som att ställa in en lång exponering på den senaste och bästa smartphonekameran för att fånga en detaljerad bild på natten.

"Det tickar på och samlar in data åt oss", säger Amy Bender, en Argonne-fysiker som hjälpte till att installera tredje generationens kamera. "Vi observerar samma stycke himmel varje dag, hela dagen. Ju mer vi observerar det, desto bättre kan vi upptäcka svagare signaler."

När SPT:s körning avslutas 2024 kommer forskare att vara upptagna med att inte bara analysera de resulterande data utan att arbeta med ytterligare uppgraderingar av SPT.

Argonnes förmåga att på ett tillförlitligt sätt producera superkänsliga teleskopdetektorer kommer också att vara avgörande för ett nytt, ambitiöst experiment:CMB-S4. I det experimentet, ett samarbete mellan Argonne och dussintals institutioner över hela världen, kommer 21 teleskop på Sydpolen och i den chilenska Atacama-öknen att övervaka himlen i sju år från och med slutet av decenniet. Antalet utplacerade detektorer kommer att öka till 500 000, och några av dem kommer att tillverkas i Argonne.

Knusar de extragalaktiska siffrorna

Simuleringar som körs på högpresterande datorer på Argonne Leadership Computing Facility, även en DOE Office of Science-användaranläggning, är nyckeln för att avkoda observationer från SPT. Forskare använder denna datorkraft för att korrelera teorier om hur materia och krafter interagerar i universum. En galaxhop i teleskopets siktlinje kommer till exempel att förvränga bakgrundsljus från andra galaxer och CMB. Den effekten måste mätas och korreleras tillbaka till teoretiska förutsägelser.

För att förklara hur simuleringar underlättar observationer, gav Bleem ett exempel:Låt oss säga att du hade en bild av Eiffeltornet utan data om hur hög strukturen är. Du kan använda det kända måttet på ett närliggande föremål, till exempel en person som står på marken, för att resonera om dess dimensioner. På samma sätt hjälper datorer till att överbrygga klyftan mellan vad vi vet och vad vi strävar efter att upptäcka genom att både ge oss förståelse för dessa komplicerade processer och tillåta oss att bedöma hur väl våra analysverktyg kan rekonstruera modeller av dessa fenomen.

Med den uppgraderade SPT och det kommande CMB-S4-projektet fortsätter forskare att generera mer observationsdata. Argonnes datorresurser håller jämna steg, konstaterade J.D. Emberson, en beräkningsforskare vid Argonne.

"De första kosmologikoderna simulerade bara gravitationen," sa Emberson. "Men eftersom vi blir bättre och större teleskop som kan samla in mer information i universum, är det viktigt att vi har förmågan att simulera mer än bara gravitation."

Emberson arbetar på Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), ramverket som används för att köra kosmologiska simuleringar för SPT och andra teleskop. Hans arbete, en del av det Argonne-ledda ExaSky-projektet, förbereder HACC för exascale-datorer som Aurora, som kommer att vara väl lämpade för att hantera extrema kosmologiska simuleringar.

"När forskare bygger nästa generations instrument, vill vi kunna driva nästa generations datoranvändning för att matcha det," sa Emberson.

Både datoranvändningen och de avancerade detektorerna som utvecklas vid Argonne tjänar SPT:s utforskning av kosmos. Men de är också relevanta för en rad andra tekniker här på jorden, som screening för sjukvård och säkerhet.

"Inget företag tillverkar utrustning som denna idag," sa Bender. "Så, vi leder fronten för att driva tekniken för det. Vem vet vilka dörrar som kan öppnas för andra områden?" + Utforska vidare

Tittar på universum från jordens botten