Det tidigaste kända ljuset i vårt universum, känd som den kosmiska mikrovågsbakgrunden, sändes ut ca 380, 000 år efter Big Bang. Mönstret av detta reliksljus har många viktiga ledtrådar till utveckling och distribution av storskaliga strukturer som galaxer och galaxkluster.

Förvrängningar i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), orsakad av ett fenomen som kallas linser, kan ytterligare belysa universums struktur och kan till och med berätta saker om det mystiska, osynligt universum - inklusive mörk energi, som utgör cirka 68 procent av universum och står för dess accelererande expansion, och mörk materia, som står för cirka 27 procent av universum.

Lägg ett vinglas på en yta, och du kan se hur linseffekter samtidigt kan förstora, pressa, och sträck utsikten över ytan under den. Vid linsering av CMB, gravitationseffekter från stora föremål som galaxer och galaxkluster böjer CMB -ljuset på olika sätt. Dessa linseffekter kan vara subtila (kända som svaga linser) för avlägsna och små galaxer, och datorprogram kan identifiera dem eftersom de stör det vanliga CMB -mönstret.

Det finns några kända problem med noggrannheten hos linsmätningar, fastän, och särskilt med temperaturbaserade mätningar av CMB och tillhörande linseffekter.

Även om linser kan vara ett kraftfullt verktyg för att studera det osynliga universum, och kan till och med potentiellt hjälpa oss att reda ut egenskaperna hos spöklika subatomära partiklar som neutrinoer, universum är en stökig plats.

Och som buggar på en bils vindruta under en lång bilresa, gasen och dammet som virvlar runt i andra galaxer, bland andra faktorer, kan dölja vår syn och leda till felaktiga avläsningar av CMB -objektivet.

Det finns några filtreringsverktyg som hjälper forskare att begränsa eller maskera några av dessa effekter, men dessa kända hinder är fortfarande ett stort problem i de många studier som bygger på temperaturbaserade mätningar.

Effekterna av denna interferens med temperaturbaserade CMB-studier kan leda till felaktiga linsmätningar, sade Emmanuel Schaan, en postdoktor och Owen Chamberlain postdoktor i fysikavdelningen vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Du kan ha fel och inte veta det, "Sa Schaan." De befintliga metoderna fungerar inte perfekt - de är verkligen begränsande. "

För att lösa detta problem, Schaan samarbetade med Simone Ferraro, en avdelningskamrat i Berkeley Labs fysikavdelning, att utveckla ett sätt att förbättra tydligheten och noggrannheten hos CMB -linsmätningar genom att separat redovisa olika typer av linseffekter.

"Linsering kan förstora eller demagnifiera saker. Det snedvrider dem också längs en viss axel så att de sträcks i en riktning, "Sa Schaan.

Forskarna fann att en viss linssignatur som kallas skjuvning, som orsakar denna sträckning i en riktning, verkar i stort sett immun mot förgrundens "brus" -effekter som annars stör CMB -linsdata. Linseringseffekten kallas förstoring, under tiden, är benägen för fel som orsakas av förgrundsbrus. Deras studie, publicerad 8 maj i tidningen Fysiska granskningsbrev , noterar en "dramatisk minskning" av denna felmarginal när man enbart fokuserar på skjuvningseffekter.

Linsens källor, som är stora föremål som står mellan oss och CMB -ljuset, är vanligtvis galaxgrupper och kluster som har en ungefär sfärisk profil i temperaturkartor, Ferraro noterade, och den senaste studien visade att emission av olika former av ljus från dessa "förgrund" -objekt bara verkar efterlikna förstoringseffekterna vid linser men inte skjuveffekterna.

"Så vi sa, 'Låt oss bara lita på skjuvningen och vi kommer att vara immuna mot effekter i förgrunden, '"Sa Ferraro." När du har många av dessa galaxer som mestadels är sfäriska, och du genomsnitt dem, de förorenar bara förstoringsdelen av mätningen. För skjuvning, alla fel är i princip borta. "

Han lade till, "Det minskar bullret, så att vi kan få bättre kartor. Och vi är mer säkra på att dessa kartor stämmer, "även när mätningarna involverar mycket avlägsna galaxer som förgrundsobjektiv.

Den nya metoden kan gynna en rad himmelundersökningsförsök, studienoteringarna, inklusive experimenten POLARBEAR-2 och Simons Array, som har Berkeley Lab och UC Berkeley deltagare; projektet Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); och Sydpolsteleskopet-3G-kamera (SPT-3G). Det kan också hjälpa Simons-observatoriet och den föreslagna nästa generationen, multilocation CMB-experiment som kallas CMB-S4-Berkeley Lab-forskare är involverade i planeringen för båda dessa insatser.

Metoden kan också förbättra vetenskapsutbytet från framtida galaxundersökningar som Berkeley Lab-ledda Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) -projekt under uppbyggnad nära Tucson, Arizona, och projektet Large Synoptic Survey Telescope (LSST) under uppbyggnad i Chile, genom gemensamma analyser av data från dessa himmelundersökningar och CMB -linsdata.

Allt större datamängder från astrofysiska experiment har lett till mer samordning vid jämförelse av data mellan experiment för att ge mer meningsfulla resultat. "Dessa dagar, synergierna mellan CMB och galaxundersökningar är en stor sak, "Sa Ferraro.

I den här studien, forskare förlitade sig på simulerade CMB-data i full himmel. De använde resurser vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för att testa sin metod på var och en av de fyra olika förgrundskällorna till buller, som inkluderar infraröd, radiofrekvens, termisk, och elektroninteraktionseffekter som kan förorena CMB-linsmätningar.

Studien konstaterar att kosmiskt infrarött bakgrundsljud, och buller från samspelet mellan CMB-ljuspartiklar (fotoner) och elektroner med hög energi har varit de mest problematiska källorna att ta itu med standardfiltreringsverktyg i CMB-mätningar. Vissa befintliga och framtida CMB -experiment försöker minska dessa effekter genom att ta exakta mätningar av polarisationen, eller orientering, av CMB -ljussignaturen snarare än dess temperatur.

"Vi kunde inte ha gjort det här projektet utan ett datorkluster som NERSC, "Sade Schaan. NERSC har också visat sig vara användbart för att servera andra universumsimuleringar för att förbereda sig inför kommande experiment som DESI.

Metoden som utvecklats av Schaan och Ferraro implementeras redan i analysen av data från aktuella experiment. En möjlig tillämpning är att utveckla mer detaljerade visualiseringar av filament och noder av mörk materia som verkar ansluta materia i universum via en komplex och föränderlig kosmisk väv.

Forskarna rapporterade ett positivt mottagande av sin nyligen introducerade metod.

"Detta var ett enastående problem som många hade tänkt på, "Sade Ferraro." Vi är glada att hitta eleganta lösningar. "