Arecibo Observatory-waarnemingen van galactische neutrale waterstofstructuur bevestigen de ontdekking van een onverwachte bijdrage aan de metingen van de kosmische microgolfachtergrond waargenomen door het WMAP- en Planck-ruimtevaartuig. Een nauwkeurig begrip van de voorgrond (galactische) stralingsbronnen die door deze twee ruimtevaartuigen zijn waargenomen, is essentieel voor het extraheren van informatie over de kleinschalige structuur in de kosmische microgolfachtergrond waarvan wordt aangenomen dat deze indicatief is voor gebeurtenissen in het vroege universum.

De nieuwe stralingsbron in het bereik van 22 tot 100 GHz die door WMAP en Planck is waargenomen, lijkt emissie te zijn van koude elektronen (bekend als vrije-vrije emissie). Hoewel kosmologen hebben gecorrigeerd voor dit soort straling van hete elektronen die worden geassocieerd met galactische nevels waar de brontemperaturen duizenden graden zijn, het nieuwe model vereist elektronentemperaturen van meer dan een paar 100 K.

Het spectrum van de kleinschalige kenmerken die door WMAP en Planck in dit frequentiebereik zijn waargenomen, is vrijwel vlak - een bevinding die consistent is met de bronnen die worden geassocieerd met de oerknal. Op het eerste gezicht lijkt het spectrum dat verwacht wordt van de emissie door koude galactische elektronen, die overal in de interstellaire ruimte bestaan, zou veel te steil zijn om in de gegevens te passen. Echter, als de emissiebronnen een kleine hoekgrootte hebben in vergelijking met de bundelbreedte die wordt gebruikt in de WMAP- en Planck-ruimtevaartuigen, de signalen die ze opnemen zouden worden verdund. De bundelbreedtes nemen toe met een lagere frequentie, en het netto resultaat van deze "bundelverdunning" is het produceren van een schijnbaar vlak spectrum in het bereik van 22 tot 100 GHz.

"Het was de bundelverdunning die het belangrijkste inzicht was, " merkte Dr. Gerrit Verschuur op, astronoom emeritus bij het Arecibo Observatorium en hoofdauteur van het papier. "Emissie van een onopgeloste bron zou het vlakke spectrum kunnen nabootsen dat wordt waargenomen door WMAP en Planck."

Het model dat de emissie van koude elektronen oproept, geeft niet alleen het waargenomen vlakke spectrum dat gewoonlijk wordt toegeschreven aan kosmische bronnen, maar voorspelt ook waarden voor de hoekschaal en temperatuur voor de emitterende volumes. Die voorspellingen kunnen vervolgens worden vergeleken met waarnemingen van de galactische structuur die zijn onthuld in de Galactic Arecibo L-Band Feed Array (GALFA) HI-enquête.

"Het interstellaire medium is veel verrassender en belangrijker dan we het hebben genoemd, " merkte Dr. Joshua Peek op, een astronoom bij het Space Telescope Science Institute en een mede-onderzoeker van het GALFA-HI-onderzoek. "Arecibo, met zijn combinatie van groot gebied en hoge resolutie, blijft een spectaculaire en geavanceerde tool voor het vergelijken van ISM-kaarten met kosmologische datasets."

De hoekschalen van de kleinste kenmerken die zijn waargenomen in neutrale waterstofkaarten gemaakt in Arecibo en de temperatuur van het schijnbaar geassocieerde gas komen beide uitstekend overeen met de modelberekeningen. Tot dusver zijn slechts drie goed bestudeerde gebieden zo gedetailleerd geanalyseerd, maar er wordt nog meer werk gepland.

"Het was de overeenkomst tussen de modelvoorspellingen en de GALFA-HI-waarnemingen die me ervan overtuigde dat we misschien iets op het spoor waren, " merkte Dr. Joan Schmelz op, Regisseur, Universities Space Research Association (USRA) bij Arecibo Observatory en een co-auteur van het papier. "We hopen dat deze resultaten ons helpen de ware kosmologische aard van Planck- en WMAP-gegevens te begrijpen."

De gegevens suggereren dat de structuur en fysica van diffuse interstellaire materie, in het bijzonder van koud waterstofgas en bijbehorende elektronen, kan ingewikkelder zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Met dergelijke complexiteiten moet rekening worden gehouden om betere voorgrondmaskers te produceren voor toepassing op de hoogfrequente continuümwaarnemingen van Planck en WMAP in de zoektocht naar een kosmologisch significant signaal.

USRA's Dr. Joan Schmelz zal deze bevindingen presenteren op 4 januari, 2017, tijdens een persconferentie op de bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Grapevine, Texas.