Melkwegstelsels. Samensmelting van sterren, interstellair gas, stof, stellaire puin en donkere materie. Ze walsen door het koude universum, de zwaartekracht voedt hun omhelzing. Zo nu en dan, sterrenstelsels sneeuwballen in enorme clusters van sterrenstelsels met massa's van gemiddeld 100 biljoen keer die van onze zon.

Maar dit was niet altijd het geval.

In het kinderuniversum, de temperaturen waren zo hoog dat elektronen en protonen te heet waren om atomen te vormen. Alles was een hete, geïoniseerd gas, niet anders dan het oppervlak van de zon.

In de komende 400 000 jaar, het heelal dijde uit en koelde af tot ongeveer 3, 000 graden Celsius, ongeveer de temperatuur van een industriële oven. Bij deze temperaturen elektronen en protonen verenigden zich tot waterstofatomen en daarbij kwamen fotonen vrij. Dit licht, genaamd de kosmische microgolf achtergrondstraling, reist sindsdien door de ruimte, een watermerk van ruimte en tijd.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben nieuwe manieren gevonden om informatie uit deze onuitputtelijke tijdmachine te halen.

Kosmologie beperken met CMB-polarisatie

In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Fermilab en University of Chicago-wetenschapper Brad Benson en collega's gebruiken de polarisatie, of oriëntatie, van de kosmische microgolfachtergrond om de massa's van enorme melkwegclusters te berekenen met behulp van een nieuwe wiskundige schatter. Dit is de eerste keer dat wetenschappers deze massa's hebben gemeten met behulp van de polarisatie van de CMB en de nieuwe schattingsmethode.

"Het maken van deze schatting is belangrijk omdat het grootste deel van de massa van clusters van sterrenstelsels niet eens zichtbaar is - het is donkere materie, die geen licht uitstraalt maar interageert door de zwaartekracht en ongeveer 85% van de materie in ons universum uitmaakt, ' zei Benson.

Het werk van de wetenschappers kan uiteindelijk licht werpen op donkere materie, donkere energie en kosmologische parameters die meer onthullen over structuurvorming in het universum.

Bestemming:Antarctica

Bij het Zuidpoolstation Amundsen-Scott, ondersteunend personeel en wetenschappers, bijgenaamd "bekers, " de klok rond werken om de Zuidpooltelescoop te beheren. Het is geen gemakkelijk werk. Het Zuidpoolstation Amundsen-Scott bevindt zich op de meest zuidelijke plek op aarde, waar de gemiddelde temperatuur min 47 graden Celsius is en de zon slechts één keer per jaar opkomt en ondergaat. Maar de Zuidpooltelescoop, een telescoop van 10 meter belast met het observeren van de kosmische microgolfachtergrond, bekend als de CMB, is meer dan in staat om zijn wetenschappelijke doelen te bereiken in deze barre omgeving.

De camera van de South Pole Telescope meet minuscule schommelingen in de polarisatie van CMB-licht aan de zuidelijke hemel in de orde van grootte van 1 op 100 miljoen gemiddeld, gevoeliger dan enig ander experiment tot nu toe.

"Deze minuscule variaties kunnen worden beïnvloed door grote objecten zoals clusters van sterrenstelsels, die fungeren als lenzen die kenmerkende vervormingen in ons signaal veroorzaken, ' zei Benson.

Het signaal waarnaar Benson en andere wetenschappers op zoek waren, was een kleinschalige rimpeling rond clusters van sterrenstelsels - een effect dat zwaartekrachtlens wordt genoemd. Een soortgelijk effect kun je zelf zien door door de basis van een helder wijnglas te kijken waarachter een kaars brandt.

"Als je door de bodem van een wijnglas naar een vlam kijkt, je kunt een ring van licht zien. Dat is het effect dat we zouden zien van een sterke zwaartekrachtlens, "Zei Benson. "We zien hier een soortgelijk effect, behalve dat de vervorming veel zwakker is en het CMB-licht wordt verspreid over een veel groter gebied aan de hemel."

Er was een probleem, echter. Wetenschappers schatten dat ze ongeveer 17, 000 clusters van melkwegstelsels om het zwaartekrachtlenseffect van de CMB te meten en de massa van clusters van sterrenstelsels met enige zekerheid te schatten, zelfs met behulp van hun nieuwe wiskundige schatter. Terwijl de Zuidpooltelescoop diepere en gevoeligere metingen van de polarisatie van de CMB leverde dan ooit tevoren, de bibliotheek met locaties van sterrenstelsels bevatte slechts ongeveer 1, 000 clusters van sterrenstelsels.

Bestemming:Chili

Om meer clusterlocaties van sterrenstelsels te identificeren van waaruit de zwaartekrachtlensing van CMB-licht rond clusters van sterrenstelsels kan worden onderzocht, de wetenschappers moesten ongeveer 6 reizen, 000 kilometer ten noorden van de Zuidpool naar de regio Atacama in Chili, de thuisbasis van het Cerro Tololo Inter-Amerikaanse Observatorium.

De donkere energiecamera, gemonteerd 2, 200 meter boven zeeniveau op de 4 meter lange Blanco-telescoop op Cerro Tololo, is een van de grootste digitale camera's ter wereld. Zijn 520 megapixels zien licht van objecten die miljarden lichtjaren ver weg komen en leggen deze vast in ongekende kwaliteit. Het belangrijkste is, de camera legt het licht en de locaties van de 17 vast, 000 clusters van sterrenstelsels die wetenschappers nodig hadden om zwaartekrachtlensing van CMB-licht door clusters van sterrenstelsels te observeren.

De wetenschappers identificeerden de locaties van deze clusters met behulp van drie jaar aan gegevens van de door Fermilab geleide Dark Energy Survey en stopten deze locaties vervolgens in een computerprogramma dat op zoek was naar bewijs van zwaartekrachtlens door de clusters in de polarisatie van de CMB. Toen er eenmaal bewijs was gevonden, ze konden de massa's van de melkwegclusters zelf berekenen met behulp van hun nieuwe wiskundige schatter.

Bestemming:Ongerepte plaatsen

In de huidige studie, de wetenschappers ontdekten dat de gemiddelde massa van clusters van sterrenstelsels ongeveer 100 biljoen keer de massa van onze zon is, een schatting die overeenkomt met andere methoden. Een aanzienlijk deel van deze massa is in de vorm van donkere materie.

Om dieper te peilen, de wetenschappers zijn van plan soortgelijke experimenten uit te voeren met behulp van een verbeterde South Pole Telescope-camera, SPT-3G, geïnstalleerd in 2017, en een CMB-experiment van de volgende generatie, CMB-S4, die verdere verbeteringen in gevoeligheid en meer melkwegclusters zal bieden om te onderzoeken.

CMB-S4 zal bestaan ​​uit speciale telescopen uitgerust met zeer gevoelige supergeleidende camera's die werken op de Zuidpool, het Chileense Atacama-plateau en mogelijk locaties op het noordelijk halfrond, waardoor onderzoekers de parameters van inflatie kunnen beperken, donkere energie en het aantal en de massa's van neutrino's, en zelfs de algemene relativiteitstheorie op grote schaal testen.

Anthony Bourdain, een begaafd verhalenverteller en voedselschrijver, noemde Antarctica ooit "de laatste ongerepte plek op aarde ... waar mensen samenkomen om de kunst van pure wetenschap te verkennen, op zoek naar iets dat feiten heet."

Wetenschappers gaan veel verder dan Antarctica naar een andere ongerepte plek, de verste uithoeken van ons universum, om te worstelen met fundamentele kosmologische parameters en het gedrag van structuren in ons universum.