Al meer dan vijf jaar observeren wetenschappers van de South Pole Telescope op Antarctica de hemel met een verbeterde camera. De uitgestrekte blik naar de kosmos pikt het resterende licht op van de vroege vorming van het universum. Nu hebben onderzoekers een eerste reeks gegevens geanalyseerd en details gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review D . De resultaten van deze beperkte dataset duiden op nog krachtigere toekomstige inzichten over de aard van ons universum.

De telescoop op het Zuidpoolstation Amundsen-Scott, dat wordt beheerd door de National Science Foundation, kreeg in 2017 een nieuwe camera, bekend als SPT-3G. Uitgerust met 16.000 detectoren – tien keer meer dan zijn voorganger – staat de SPT-3G centraal tot multi-institutioneel onderzoek dat gedeeltelijk wordt geleid door het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). Het doel is om zwak licht te meten dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De CMB is de nagloed van de oerknal, toen het heelal bijna 14 miljard jaar geleden uit één enkel energiepunt barstte.

"De CMB is een schatkaart voor kosmologen", zegt Zhaodi Pan, hoofdauteur van het artikel en een Maria Goeppert Mayer-fellow in Argonne. "De minuscule variaties in temperatuur en polarisatie bieden een uniek venster op de kinderschoenen van het universum."

Het artikel in Physical Review D biedt de eerste CMB zwaartekrachtlensmetingen van de SPT-3G. Zwaartekrachtlensing vindt plaats wanneer het enorme web van materie in het universum de CMB vervormt terwijl deze door de ruimte reist. Als je de gebogen voet van een wijnglas op de pagina van een boek zou plaatsen, zou het glas je zicht op de woorden erachter vervormen. Op dezelfde manier vormt de materie in de zichtlijn van de telescoop een lens die het CMB-licht en ons zicht daarop afbuigt. Albert Einstein beschreef deze kromtrekking in het weefsel van ruimte-tijd in zijn algemene relativiteitstheorie.

Metingen van die vervorming bevatten aanwijzingen over het vroege universum en mysteries zoals donkere materie, een onzichtbaar onderdeel van de kosmos. "Donkere materie is lastig te detecteren, omdat het geen interactie heeft met licht of andere vormen van elektromagnetische straling. Momenteel kunnen we het alleen waarnemen via zwaartekrachtinteracties", aldus Pan.

Wetenschappers bestuderen de CMB al sinds de ontdekking ervan in de jaren zestig en observeren hem met telescopen, zowel op de grond als in de ruimte. Hoewel de nieuwste analyse slechts een paar maanden aan SPT-3G-gegevens uit 2018 gebruikt, is de meting van zwaartekrachtlenzen al concurrerend in het veld.

"Een van de echt opwindende onderdelen van dit onderzoek is dat het resultaat voortkomt uit wat in wezen het in opdracht geven van gegevens is van toen we net begonnen met waarnemingen met de SPT-3G - en het resultaat is nu al geweldig", zegt Amy Bender, een natuurkundige bij Argonne en papieren co-auteur. "We hebben nog vijf jaar aan gegevens die we nu analyseren, dus dit is slechts een indicatie van wat komen gaat."

De droge, stabiele atmosfeer en de afgelegen locatie van de Zuidpooltelescoop zorgen voor zo min mogelijk interferentie bij het zoeken naar CMB-patronen. Toch bevatten de gegevens van de zeer gevoelige SPT-3G-camera verontreiniging uit de atmosfeer, maar ook uit onze eigen Melkweg en extragalactische bronnen.

Het analyseren van zelfs maar een paar maanden aan gegevens van SPT-3G is een onderneming die jaren duurt, omdat onderzoekers gegevens moeten valideren, ruis eruit moeten filteren en metingen moeten interpreteren. Het team gebruikte een speciaal cluster, een groep computers, in het Argonne Laboratory Computing Resource Center om enkele berekeningen voor het onderzoek uit te voeren.

"We ontdekten dat de waargenomen lenspatronen in dit onderzoek goed verklaard kunnen worden door de algemene relativiteitstheorie," zei Pan. "Dit suggereert dat ons huidige begrip van de zwaartekracht geldt voor deze grote schalen. De resultaten versterken ook ons ​​bestaande begrip van hoe structuren van materie in ons universum zijn gevormd."

SPT-3G-lenskaarten uit extra jaren aan gegevens zullen ook helpen bij het onderzoeken van de kosmische inflatie, of het idee dat het vroege universum een ​​snelle exponentiële expansie onderging. Kosmische inflatie is ‘een andere hoeksteen van de kosmologie’, merkte Pan op, en wetenschappers zijn op zoek naar tekenen van vroege zwaartekrachtsgolven en ander direct bewijs van deze theorie. De aanwezigheid van zwaartekrachtlenzen introduceert interferentie met inflatoire afdrukken, waardoor het verwijderen van dergelijke vervuiling noodzakelijk is, wat kan worden berekend met behulp van nauwkeurige lensmetingen.

Terwijl sommige resultaten uit de nieuwe SPT-3G-gegevens de bestaande kennis zullen versterken, zullen andere nieuwe vragen oproepen.

"Elke keer dat we meer gegevens toevoegen, ontdekken we meer dingen die we niet begrijpen", zei Bender, die een gezamenlijke aanstelling heeft aan de Universiteit van Chicago. "Terwijl je lagen van deze ui afpelt, leer je steeds meer over je instrument en ook over je wetenschappelijke meting van de lucht."

Er is zo weinig bekend over de onzichtbare componenten van het universum dat elk verkregen begrip van cruciaal belang is, zei Pan:‘Hoe meer we leren over de verspreiding van donkere materie, hoe dichter we bij het begrijpen van de aard ervan en de rol ervan bij het vormen van het universum waarin we leven komen. vandaag."

Meer informatie: Z. Pan et al, Meting van zwaartekrachtlenzen van de kosmische microgolfachtergrond met behulp van SPT-3G 2018-gegevens, Fysieke beoordeling D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling D

Geleverd door Argonne National Laboratory