Het vroegst bekende licht in ons universum, bekend als de kosmische microgolfachtergrond, werd uitgestoten ongeveer 380, 000 jaar na de oerknal. De patronen van dit relikwielicht bevatten veel belangrijke aanwijzingen voor de ontwikkeling en verspreiding van grootschalige structuren zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.

Vervormingen in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), veroorzaakt door een fenomeen dat bekend staat als lensing, kan de structuur van het universum verder verlichten en kan ons zelfs dingen vertellen over het mysterieuze, ongezien universum - inclusief donkere energie, die ongeveer 68 procent van het heelal uitmaakt en verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing, en donkere materie, die goed is voor ongeveer 27 procent van het universum.

Zet een wijnglas met steel op een oppervlak, en je kunt zien hoe lenseffecten tegelijkertijd kunnen vergroten, knijpen, en rek het zicht op het oppervlak eronder uit. Bij de lenswerking van de CMB, zwaartekrachteffecten van grote objecten zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels buigen het CMB-licht op verschillende manieren. Deze lenseffecten kunnen subtiel zijn (bekend als zwakke lensing) voor verre en kleine sterrenstelsels, en computerprogramma's kunnen ze identificeren omdat ze de reguliere CMB-patronen verstoren.

Er zijn enkele bekende problemen met de nauwkeurigheid van lensmetingen, Hoewel, en in het bijzonder met op temperatuur gebaseerde metingen van de CMB en bijbehorende lenseffecten.

Hoewel lenzen een krachtig hulpmiddel kunnen zijn om het onzichtbare universum te bestuderen, en zou ons mogelijk zelfs kunnen helpen de eigenschappen van spookachtige subatomaire deeltjes zoals neutrino's te achterhalen, het universum is een inherent rommelige plek.

En zoals insecten op de voorruit van een auto tijdens een lange rit, het gas en stof dat in andere sterrenstelsels wervelt, onder andere factoren, kan ons zicht belemmeren en leiden tot foutieve aflezingen van de CMB-lens.

Er zijn enkele filterhulpmiddelen die onderzoekers helpen sommige van deze effecten te beperken of te maskeren, maar deze bekende obstakels blijven een groot probleem in de vele onderzoeken die gebaseerd zijn op temperatuurgebaseerde metingen.

De effecten van deze interferentie met op temperatuur gebaseerde CMB-onderzoeken kunnen leiden tot foutieve lensmetingen, zei Emmanuel Schaan, een postdoctoraal onderzoeker en een postdoctoraal onderzoeker van Owen Chamberlain in de afdeling Natuurkunde van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab).

"Je kunt het mis hebben en het niet weten, "Zei Schaan. "De bestaande methoden werken niet perfect - ze zijn echt beperkend."

Om dit probleem aan te pakken, Schaan werkte samen met Simone Ferraro, een Divisional Fellow in de Physics Division van Berkeley Lab, om een ​​manier te ontwikkelen om de helderheid en nauwkeurigheid van CMB-lensmetingen te verbeteren door afzonderlijk rekening te houden met verschillende soorten lenseffecten.

"Lensing kan dingen vergroten of verkleinen. Het vervormt ze ook langs een bepaalde as, zodat ze in één richting worden uitgerekt, ' zei Schaan.

De onderzoekers ontdekten dat een bepaalde lenssignatuur genaamd shearing, waardoor dit uitrekken in één richting, lijkt grotendeels immuun voor de "ruis"-effecten op de voorgrond die anders interfereren met de CMB-lensgegevens. Het lenseffect dat vergroting wordt genoemd, In de tussentijd, is gevoelig voor fouten veroorzaakt door voorgrondruis. hun studie, gepubliceerd op 8 mei in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , merkt een "dramatische vermindering" van deze foutenmarge op wanneer uitsluitend wordt gefocust op afschuifeffecten.

De bronnen van de lensing, dat zijn grote objecten die tussen ons en het CMB-licht staan, zijn typisch melkweggroepen en clusters met een ruwweg bolvormig profiel in temperatuurkaarten, Ferraro merkte op, en de laatste studie wees uit dat de emissie van verschillende vormen van licht van deze "voorgrond"-objecten alleen de vergrotingseffecten bij lensing lijkt na te bootsen, maar niet de afschuifeffecten.

"Dus we zeiden, 'Laten we alleen op de afschuiving vertrouwen en we zijn immuun voor voorgrondeffecten, '" zei Ferraro. "Als je veel van deze sterrenstelsels hebt die meestal bolvormig zijn, en je gemiddelde ze, ze vervuilen alleen het vergrotingsgedeelte van de meting. voor scheren, alle fouten zijn in principe verdwenen."

Hij voegde toe, "Het vermindert het geluid, waardoor we betere kaarten kunnen krijgen. En we zijn er zekerder van dat deze kaarten correct zijn, " zelfs wanneer de metingen betrekking hebben op zeer verre sterrenstelsels als objecten op de voorgrond.

De nieuwe methode zou kunnen profiteren van een reeks experimenten met luchtmetingen, de studieaantekeningen, inclusief de POLARBEAR-2- en Simons Array-experimenten, die Berkeley Lab en UC Berkeley deelnemers hebben; het Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT)-project; en de South Pole Telescope—3G-camera (SPT-3G). Het zou ook het Simons Observatorium en de voorgestelde volgende generatie kunnen helpen, multilocatie CMB-experiment bekend als CMB-S4 - Wetenschappers van Berkeley Lab zijn betrokken bij de planning van beide inspanningen.

De methode zou ook de wetenschappelijke opbrengst van toekomstige melkwegonderzoeken kunnen verbeteren, zoals het door Berkeley Lab geleide Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-project in aanbouw bij Tucson, Arizona, en het Large Synoptic Survey Telescope (LSST)-project in aanbouw in Chili, door gezamenlijke analyses van gegevens van deze luchtonderzoeken en de CMB-lensgegevens.

Steeds grotere datasets van astrofysica-experimenten hebben geleid tot meer coördinatie bij het vergelijken van gegevens tussen experimenten om zinvollere resultaten te bieden. "Tegenwoordig, de synergieën tussen CMB en melkwegonderzoeken zijn een groot probleem, ' zei Ferraro.

In dit onderzoek, onderzoekers vertrouwden op gesimuleerde full-sky CMB-gegevens. Ze gebruikten middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab om hun methode te testen op elk van de vier verschillende bronnen van ruis op de voorgrond. waaronder infrarood, radiofrequentie, thermisch, en elektroneninteractie-effecten die CMB-lensmetingen kunnen besmetten.

De studie merkt op dat kosmisch infrarood achtergrondgeluid, en ruis van de interactie van CMB-lichtdeeltjes (fotonen) met hoogenergetische elektronen zijn de meest problematische bronnen geweest om aan te pakken met behulp van standaard filterhulpmiddelen in CMB-metingen. Sommige bestaande en toekomstige CMB-experimenten proberen deze effecten te verminderen door nauwkeurige metingen van de polarisatie, of oriëntatie, van de CMB-lichtsignatuur in plaats van de temperatuur.

"We hadden dit project niet kunnen doen zonder een computercluster zoals NERSC, "Zei Schaan. NERSC is ook nuttig gebleken bij het dienen van andere universum-simulaties om te helpen bij de voorbereiding op aanstaande experimenten zoals DESI.

De door Schaan en Ferraro ontwikkelde methode wordt al toegepast in de analyse van de gegevens van huidige experimenten. Een mogelijke toepassing is het ontwikkelen van meer gedetailleerde visualisaties van filamenten en knopen van donkere materie die materie in het universum lijken te verbinden via een complex en veranderend kosmisch web.

De onderzoekers rapporteerden een positieve ontvangst van hun nieuw geïntroduceerde methode.

"Dit was een uitstekend probleem waar veel mensen over hadden nagedacht, "Zei Ferraro. "We zijn blij om elegante oplossingen te vinden."