Een samenwerkingsproject onderzoekt de kosmos vanuit zijn geïsoleerde positie op Antarctica en heeft tot doel inzichten over het begin van het universum te onthullen.

In de zomer op de Zuidpool, die duurt van november tot februari, is de gemiddelde temperatuur maar liefst min 18 graden F. Gedurende deze tijd gaat de zon niet onder, wat slapen een uitdaging maakt. De omgeving is hard en droog. En de internetverbinding op het Zuidpoolstation Amundsen–Scott, als je er toegang toe hebt, is tergend traag.

Aan de andere kant is er weinig afleiding van het werk en is het landschap adembenemend. De maaltijden uit de eigen keuken zijn geweldig. Het beste gedeelte? Er is een ongeëvenaard beeld van het vroege heelal.

Het oudste licht in het heelal zien

Dat uitzicht, dat afkomstig is van de South Pole Telescope (SPT) van het onderzoeksstation, is niet wat velen van ons zich zouden voorstellen als we naar de lucht kijken. In plaats van sterren en planeten lijken de afbeeldingen van de SPT meer op een schilderij van Jackson Pollock. Ze leggen gegevens vast met betrekking tot de oorsprong van het heelal en zijn evolutie over miljarden jaren.

Sinds de SPT in 2007 begon te werken, heeft het onderzoekers geholpen bij het ontdekken van meer dan 1.000 gigantische clusters van sterrenstelsels (waaronder enkele echt uitzonderlijke) en heeft het ons begrip veranderd van de periode waarin de eerste sterren werden gevormd, naast andere onthullingen. Meer dan 20 universiteiten en onderzoeksfaciliteiten van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), waaronder het Argonne National Laboratory, werken samen aan de inspanning.

De 33-voet telescoop gebruikt detectoren die zijn ontwikkeld en gebouwd in Argonne om de kosmische microgolfachtergrond (CMB) te bestuderen. De CMB bestaat uit licht dat werd geproduceerd toen het heelal ongeveer 380.000 jaar oud was. Destijds was het baby-universum een ​​intens heet plasma en de gloed die het produceerde reist al zo'n 14 miljard jaar door de ruimte.

"Kijken naar de kosmische microgolfachtergrond, ons vroege universum schilderen en het verbinden met de waarnemingen die we vandaag zien, vormt een van de belangrijkste fundamentele pijlers van ons kosmologische model", zegt Lindsey Bleem, een natuurkundige bij Argonne die gegevens verzamelt en analyseert van de SPT.

Antarctica is een van de beste plaatsen ter wereld om dit zwakke signaal te detecteren, omdat het in wezen een bevroren woestijn is en erg droog. Water in de lucht kan "ruis" veroorzaken in een zicht op de lucht met een telescoop, legde Bleem uit, waardoor het beeld minder duidelijk werd. De omgeving van de SPT is zo storingsvrij mogelijk op aarde.

Voor het grootste deel kunnen wetenschappers de gegevens van de SPT verzamelen en ermee werken vanuit Argonne in Illinois of ergens anders dat is ingesteld om op afstand toegang tot de gegevens te krijgen. Maar af en toe moeten voor onderhoud en upgrades, zoals een camera van de derde generatie die in 2017 is geïnstalleerd, naar deze faciliteit in het midden van een bevroren woestijn worden gereisd.

Of het nu gaat om het omgaan met de tandengekletter, wachten op voorraden of ervoor zorgen dat apparatuur wordt onderhouden en weerbestendig, de afgelegen locatie kan ontmoedigend zijn. Het gebrek aan vochtigheid alleen is "iets dat een beetje uitdagend is en ook kan interfereren met hoe de dingen van dag tot dag gaan", zegt Clarence Chang, een natuurkundige uit Argonne die supergeleidende detectoren ontwikkelt voor de SPT.

Een voordeel:tijdens het zomerseizoen van de telescoop zorgen koks voor maaltijden voor bezoekende onderzoekers, en "het eten is absoluut fantastisch", zei Bleem.

Supergevoelige, supergeleidende detectoren

De upgrade van 2017 naar de camera van de SPT bracht het van 1.600 naar 16.000 detectoren. Bij elkaar opgeteld lijken de detectoren op een honingraat van ongeveer 17 inch breed. De detectoren worden veel kouder gehouden dan zelfs de koudste Antarctische nacht, net boven het absolute nulpunt of min 459 F. De temperatuur, gecombineerd met de gevoeligheid van hun supergeleidende materialen, helpt hen het zeer zwakke licht van de CMB te registreren.

Onderzoekers maakten gebruik van Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om de detectoren te fabriceren. De apparatuur van de faciliteit maakt het mogelijk om supergeleidende materialen te controleren en consistent te verwerken.

Een van de onderzoeksdoelen van CMB-waarnemingen is het onderzoeken van een theorie die bekend staat als kosmische inflatie, het idee dat het vroege heelal een enorme, onvoorstelbaar snelle expansie onderging. Die theorie wordt geassocieerd met voorspellingen van bepaalde patronen in de CMB.

"Deze voorspellingen zijn buitengewoon uitdagend om te meten. De signalen zijn erg zwak, wat het bouwen van ongelooflijk gevoelige instrumenten vereist", zei Chang.

De SPT begon in 2018 met een zesjarig onderzoek met de nieuwe camera. De verbeterde detectorarray, gecombineerd met jarenlange observatie, lijkt een beetje op het instellen van een lange belichtingstijd op de nieuwste en beste smartphonecamera om 's nachts een gedetailleerd beeld te maken.

"Het tikt door en verzamelt de gegevens voor ons", zegt Amy Bender, een natuurkundige uit Argonne die hielp bij het installeren van de derde generatie camera. "We observeren hetzelfde stuk hemel elke dag, de hele dag. Hoe meer we het observeren, hoe beter we zwakkere signalen kunnen detecteren."

Wanneer de run van de SPT in 2024 eindigt, zullen wetenschappers niet alleen de resulterende gegevens analyseren, maar ook werken aan verdere upgrades van de SPT.

Het vermogen van Argonne om op betrouwbare wijze supergevoelige telescoopdetectoren te produceren, zal ook van cruciaal belang zijn voor een nieuw, ambitieus experiment:CMB-S4. In dat experiment zullen een samenwerking van Argonne en tientallen instellingen wereldwijd, 21 telescopen op de Zuidpool en in de Chileense Atacama-woestijn vanaf het einde van het decennium zeven jaar lang de hemel inspecteren. Het aantal ingezette detectoren zal stijgen tot 500.000, en sommige zullen in Argonne worden gemaakt.

De extragalactische getallen kraken

Simulaties die draaien op krachtige computers in de Argonne Leadership Computing Facility, ook een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, zijn essentieel bij het decoderen van observaties van de SPT. Wetenschappers gebruiken deze rekenkracht om theorieën te correleren over hoe materie en krachten op elkaar inwerken in het universum. Een cluster van sterrenstelsels in de gezichtslijn van de telescoop zal bijvoorbeeld het achtergrondlicht van andere sterrenstelsels en de CMB vervormen. Dat effect moet worden gemeten en gecorreleerd aan theoretische voorspellingen.

Om uit te leggen hoe simulaties observaties ondersteunen, gaf Bleem een ​​voorbeeld:Stel dat je een foto van de Eiffeltoren had zonder gegevens over hoe hoog de constructie is. Je zou de bekende meting van een object in de buurt, zoals een persoon die op de grond staat, kunnen gebruiken om de afmetingen ervan te beredeneren. Evenzo helpen computers de kloof te overbruggen tussen wat we weten en wat we willen ontdekken door ons zowel inzicht te geven in deze gecompliceerde processen als ons in staat te stellen te beoordelen hoe goed onze analysetools modellen van deze verschijnselen kunnen reconstrueren.

Met de verbeterde SPT en het komende CMB-S4-project blijven wetenschappers meer observatiegegevens genereren. De computerbronnen van Argonne houden gelijke tred, merkte J.D. Emberson op, een computerwetenschapper bij Argonne.

"De eerste kosmologische codes simuleerden alleen de zwaartekracht", zei Emberson. "Maar naarmate we betere en grotere telescopen krijgen die meer informatie in het universum kunnen verzamelen, is het belangrijk dat we de mogelijkheid hebben om meer te simuleren dan alleen zwaartekracht."

Emberson werkt aan de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), het raamwerk dat wordt gebruikt om kosmologische simulaties uit te voeren voor de SPT en andere telescopen. Zijn werk, onderdeel van het door Argonne geleide ExaSky-project, bereidt HACC voor op exaschaalcomputers zoals Aurora, die zeer geschikt zullen zijn om kosmologische simulaties op extreme schaal aan te kunnen.

"Terwijl wetenschappers instrumenten van de volgende generatie bouwen, willen we de volgende generatie computers kunnen pushen om dat te evenaren", zei Emberson.

Zowel de computer als de geavanceerde detectoren die in Argonne worden ontwikkeld, dienen voor de verkenning van de kosmos door de SPT. Maar ze zijn ook relevant voor een reeks andere technologieën hier op aarde, zoals screening voor gezondheidszorg en veiligheid.

"Geen enkel bedrijf maakt tegenwoordig dergelijke apparatuur", zei Bender. "Dus, we lopen voorop om de technologie ervoor te pushen. Wie weet welke deuren dat zou kunnen openen voor andere gebieden?" + Verder verkennen

Turen naar het universum vanaf de bodem van de aarde