I mer än fem år har forskare vid sydpolsteleskopet i Antarktis observerat himlen med en uppgraderad kamera. Den förlängda blicken mot kosmos plockar upp restljus från universums tidiga bildning. Nu har forskare analyserat en första sats av data och publicerat detaljer i tidskriften Physical Review D . Resultaten från denna begränsade datauppsättning antyder ännu mer kraftfulla framtida insikter om vårt universums natur.

Teleskopet vid Amundsen-Scott South Pole Station, som drivs av National Science Foundation, fick en ny kamera känd som SPT-3G 2017. Utrustad med 16 000 detektorer – 10 gånger fler än sin föregångare – är SPT-3G central. till multiinstitutionell forskning som delvis leds av U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory. Målet är att mäta svagt ljus som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). CMB är efterskenet från Big Bang, när universum bröt ut från en enda energipunkt för nästan 14 miljarder år sedan.

"CMB är en skattkarta för kosmologer", säger Zhaodi Pan, tidningens huvudförfattare och en Maria Goeppert Mayer-stipendiat vid Argonne. "Dess minimala variationer i temperatur och polarisation ger ett unikt fönster in i universums barndom."

Uppsatsen i Physical Review D erbjuder de första CMB-gravitationslinsmätningarna från SPT-3G. Gravitationslinsning sker när universums enorma väv av materia förvränger CMB när den färdas genom rymden. Om du skulle placera den böjda basen av ett vinglas på sidan av en bok, skulle glaset förvränga din syn på orden bakom det. På samma sätt bildar materia i teleskopets siktlinje en lins som böjer CMB-ljuset och vår syn på det. Albert Einstein beskrev denna skevhet i rymdtidens struktur i sin allmänna relativitetsteori.

Mätningar av den förvrängningen har ledtrådar om det tidiga universum och mysterier som mörk materia, en osynlig komponent i kosmos. "Mörk materia är svår att upptäcka, eftersom den inte interagerar med ljus eller andra former av elektromagnetisk strålning. För närvarande kan vi bara observera den genom gravitationsinteraktioner," sa Pan.

Forskare har studerat CMB ända sedan den upptäcktes på 1960-talet och observerat den genom teleskop både på marken och i rymden. Även om den senaste analysen bara använder några månaders SPT-3G-data från 2018, är mätningen av gravitationslinser redan konkurrenskraftig på området.

"En av de riktigt spännande delarna av den här studien är att resultatet kommer från vad som i huvudsak är att beställa data från när vi precis började observera med SPT-3G - och resultatet är redan fantastiskt", säger Amy Bender, fysiker vid Argonne och pappersmedförfattare. "Vi har fem år till av data som vi arbetar med att analysera nu, så det här tipsar bara om vad som komma skall."

Sydpolsteleskopets torra, stabila atmosfär och avlägsna placering skapar så lite störningar som möjligt när man letar efter CMB-mönster. Ändå innehåller data från den mycket känsliga SPT-3G-kameran kontaminering från atmosfären, såväl som från vår egen galax och extragalaktiska källor.

Att analysera ens några månaders data från SPT-3G är ett åtagande som varar i åratal, eftersom forskare behöver validera data, filtrera bort brus och tolka mätningar. Teamet använde ett dedikerat kluster, en grupp datorer, vid Argonne Laboratory Computing Resource Center för att köra några av beräkningarna för forskningen.

"Vi fann att de observerade linsmönstren i denna studie är väl förklarade av generell relativitetsteori," sa Pan. "Detta tyder på att vår nuvarande förståelse av gravitationen gäller för dessa stora skalor. Resultaten stärker också vår befintliga förståelse av hur materiens strukturer bildades i vårt universum."

SPT-3G-objektivkartor från ytterligare år av data kommer också att hjälpa till att undersöka kosmisk inflation, eller tanken att det tidiga universum genomgick en snabb exponentiell expansion. Kosmisk inflation är "en annan hörnsten i kosmologin", noterade Pan, och forskare jagar efter tecken på tidiga gravitationsvågor och andra direkta bevis på denna teori. Förekomsten av gravitationslinser introducerar störningar med inflationsavtryck, vilket gör det nödvändigt att ta bort sådan förorening, som kan beräknas med exakta linsmätningar.

Medan vissa resultat från den nya SPT-3G-datan kommer att förstärka befintlig kunskap, kommer andra att väcka nya frågor.

"Varje gång vi lägger till mer data hittar vi fler saker som vi inte förstår", sa Bender som har ett gemensamt utnämning vid University of Chicago. "När du skalar tillbaka lager av denna lök lär du dig mer och mer om ditt instrument och även om dina vetenskapliga mätningar av himlen."

Så lite är känt om universums osynliga komponenter att all förståelse som uppnås är avgörande, sa Pan, "Ju mer vi lär oss om distributionen av mörk materia, desto närmare kommer vi att förstå dess natur och dess roll i att forma universum som vi lever i. idag."

Mer information: Z. Pan et al, Mätning av gravitationslinsning av den kosmiska mikrovågsbakgrunden med SPT-3G 2018-data, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005

Journalinformation: Fysisk granskning D

Tillhandahålls av Argonne National Laboratory