Kosmolodzy z California Institute of Technology wykorzystali obserwacje sięgające odległej epoki wszechświata, kiedy atomy formowały się po raz pierwszy, aby wykryć ruchy między ziarnami, które doprowadziły do powstania gromad galaktyk. Nowe wyniki pokazują ruch materii pierwotnej na drodze do tworzenia gromad galaktyk i supergromad. Obserwacje uzyskano za pomocą instrumentu wysoko w chilijskich Andach, znanego jako Cosmic Background Imager (CBI), i dają one nowe zaufanie do dokładności standardowego modelu wczesnego wszechświata, w którym szybka inflacja nastąpiła krótko po Wielkim Wybuchu .
Nowatorską cechą tych obserwacji polaryzacyjnych jest to, że odsłaniają one bezpośrednio gromady galaktyk i ich ruchy, gdy formowały pierwsze gromady galaktyk.
Anthony Readhead i jego zespół, raportując w internetowym wydaniu Science Express z 7 października Science Express, profesor astronomii Caltech Rawn i główny badacz projektu CBI, twierdzą, że nowe wyniki polaryzacji zapewniają silne wsparcie dla standardowego modelu wszechświata jako miejsca, w którym ciemna materia i ciemna energia są znacznie bardziej rozpowszechnione niż materia codzienna, jaką znamy, co stanowi poważny problem dla fizyki. Towarzyszący artykuł opisujący wczesne obserwacje polaryzacji za pomocą CBI został przesłany do Astrophysical Journal.
Kosmiczne tło obserwowane przez CBI pochodzi z epoki zaledwie 400 000 lat po Wielkim Wybuchu i dostarcza wielu informacji na temat natury wszechświata. W tej odległej epoce nie istniała żadna ze znanych struktur wszechświata - nie było galaktyk, gwiazd ani planet. Zamiast tego występowały jedynie niewielkie wahania gęstości, a były to nasiona, z których powstały galaktyki i gwiazdy pod wpływem grawitacji.
Instrumenty przed CBI wykryły fluktuacje w dużych skalach kątowych, odpowiadające masom znacznie większym niż supergromady galaktyk. Wysoka rozdzielczość CBI pozwoliła zaobserwować po raz pierwszy ziarna struktur, które obserwujemy wokół nas w Space Magazine, w styczniu 2000 r.
Rozszerzający się wszechświat ochłodził się i przez 400 000 lat po Wielkim Wybuchu był wystarczająco chłodny, aby elektrony i protony mogły się połączyć, tworząc atomy. Wcześniej fotony nie mogły podróżować daleko przed zderzeniem z elektronem, a wszechświat był jak gęsta mgła, ale w tym momencie wszechświat stał się przezroczysty i od tego czasu fotony swobodnie przepływały przez wszechświat, aby dotrzeć do naszych teleskopów dzisiaj, 13,8 miliarda lat później. Tak więc obserwacje tła mikrofalowego dostarczają migawki wszechświata, jaki miał miejsce zaledwie 400 000 lat po Wielkim Wybuchu - na długo przed powstaniem pierwszych galaktyk, gwiazd i planet.
Nowe dane zostały zebrane przez CBI między wrześniem 2002 r. A majem 2004 r. I obejmują cztery płaty nieba, obejmujące całkowity obszar trzystukrotnie większy od Księżyca i pokazujące drobne szczegóły tylko ułamek wielkości Księżyca. Nowe wyniki oparte są na właściwości światła zwanej polaryzacją. Jest to właściwość, którą można łatwo wykazać za pomocą okularów polaryzacyjnych. Jeśli spojrzymy na światło odbite od stawu przez takie okulary, a następnie obrócimy okulary przeciwsłoneczne, zobaczymy, że odbite światło ma różną jasność. Wynika to z tego, że odbite światło jest spolaryzowane, a okulary polaryzacyjne transmitują tylko światło, którego polaryzacja jest odpowiednio wyrównana z okularami. CBI podobnie odbiera spolaryzowane światło, a szczegóły tego światła ujawniają ruch ziaren gromad galaktyk.
W całkowitej intensywności widzimy serię szczytów i dolin, w których szczyty są kolejnymi harmonicznymi podstawowego „tonu”. W spolaryzowanej emisji widzimy również szereg pików i dolin, ale piki w spolaryzowanej emisji pokrywają się z dolinami o całkowitej intensywności i odwrotnie. Innymi słowy, spolaryzowana emisja jest całkowicie niezgodna z całkowitą intensywnością. Ta właściwość spolaryzowanej emisji, która nie jest zgodna z całkowitą intensywnością, wskazuje, że spolaryzowana emisja powstaje z ruchu materiału.
Pierwsze wykrycie spolaryzowanej emisji przez interferometr skali kątowej (DASI), siostrzany projekt CBI, w 2002 r. Dostarczyło dramatycznych dowodów ruchu we wczesnym wszechświecie, podobnie jak pomiary dokonane przez sondę mikrofalową anizotropii Wilkinsona (WMAP) w 2003 r. Ogłoszone dziś wyniki CBI znacznie poszerzają te wcześniejsze odkrycia, pokazując bezpośrednio i w małych skalach odpowiadających gromadom galaktyk, że emisja spolaryzowana nie jest zgodna z całkowitą intensywnością.
Inne dane na temat kosmicznej polaryzacji tła mikrofalowego zostały opublikowane zaledwie dwa tygodnie temu przez zespół DASI, którego trzy lata wyników pokazują dalsze przekonujące dowody, że polaryzacja jest rzeczywiście spowodowana kosmicznym tłem i nie jest zanieczyszczona promieniowaniem z Drogi Mlecznej. Wyniki tych dwóch siostrzanych projektów pięknie się zatem uzupełniają, podobnie jak intencje Readhead i Johna Carlstroma, głównego badacza DASI i współautora artykułu CBI, kiedy dziesięć lat temu planowali te dwa instrumenty.
Według Readhead: „Fizyka nie ma zadowalającego wyjaśnienia dla ciemnej energii, która dominuje we wszechświecie. Problem ten stanowi najpoważniejsze wyzwanie dla fundamentalnej fizyki od czasów rewolucji kwantowej i relatywistycznej sprzed stu lat. Sukcesy tych eksperymentów polaryzacyjnych dają pewność, że jesteśmy w stanie zbadać drobne szczegóły spolaryzowanego tła kosmicznego, które ostatecznie rzucą światło na naturę tej ciemnej energii. ”
„Sukces tych eksperymentów polaryzacyjnych otworzył nowe okno na badanie wszechświata, które może pozwolić nam zbadać pierwsze momenty wszechświata poprzez obserwacje fal grawitacyjnych z epoki inflacji”, mówi Carlstrom.
Analiza danych CBI jest przeprowadzana we współpracy z grupami w National Radio Astronomy Observatory (NRAO) oraz w Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
„To naprawdę ekscytujący czas w badaniach kosmologicznych, z niezwykłą zbieżnością teorii i obserwacji, wszechświatem pełnym tajemnic takich jak ciemna materia i ciemna energia oraz fantastycznym wachlarzem nowych technologii - tutaj istnieje ogromny potencjał dla fundamentalnych odkryć” mówi Steve Myers z NRAO, współautor i kluczowy członek zespołu CBI od samego początku.
Według Richarda Bonda, dyrektora CITA i współautora artykułu: „Jako teoretyk na początku lat osiemdziesiątych, kiedy po raz pierwszy pokazaliśmy, że wielkość kosmicznej polaryzacji mikrofalowej tła byłaby prawdopodobnie stu razy mniejsza od mocy z drobne zmiany temperatury, które same w sobie były heroicznym wysiłkiem, by odkryć, wydawało się życzeniem myśleć, że nawet w odległej przyszłości takie maleńkie sygnały zostaną ujawnione. Dzięki tym wykrytym polaryzacjom pożądane stało się rzeczywistością dzięki niezwykłym postępom technologicznym w eksperymentach takich jak CBI. Naszym przywilejem w CITA było pełne zaangażowanie się jako członków zespołu CBI w odsłonięcie tych sygnałów i interpretację ich kosmologicznego znaczenia dla tego, co pojawiło się jako standardowy model tworzenia i ewolucji struktury kosmicznej. ”
Następnym krokiem Readhead i jego zespołu CBI będzie znaczne udoskonalenie tych obserwacji polaryzacji poprzez pobranie większej ilości danych oraz sprawdzenie, czy emisja spolaryzowana jest dokładnie poza zakresem całkowitej intensywności w celu znalezienia pewnych wskazówek dotyczących natury ciemnej materii i ciemnej energii.
CBI to tablica teleskopu mikrofalowego składająca się z 13 oddzielnych anten o średnicy około trzech stóp i działających w 10 kanałach częstotliwości, skonfigurowanych w taki sposób, że całe instrumenty działają jak zestaw 780 interferometrów. CBI znajduje się w Llano de Chajnantor, wysokim płaskowyżu w Chile na wysokości 16 800 stóp, co czyni go zdecydowanie najbardziej wyrafinowanym instrumentem naukowym, jaki kiedykolwiek był używany na tak dużych wysokościach. Teleskop jest tak wysoko, że członkowie zespołu naukowego muszą nosić butlowy tlen, aby wykonać pracę.
Modernizacja CBI do polaryzacji została wsparta hojnym grantem z Kavli Operating Institute, a projekt jest również wdzięczny za ciągłe wsparcie Barbary i Stanley Rawn Jr. CBI jest również wspierany przez National Science Foundation, California Institute of Technology i Canadian Institute for Advanced Research, a także otrzymał hojne wsparcie od Maxine i Ronalda Linde, Cecil i Sally Drinkward oraz Kavli Institute for Cosmological Physics na University of Chicago.
Oprócz wspomnianych wyżej naukowców, dzisiejszy artykuł Science Express jest współautorem C. Contaldiego i J. L. Sieversa z CITA, J.K. Cartwright i S. Padin, zarówno Caltech, jak i University of Chicago; B. S. Mason i M. Pospieszalski z NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus i J. May wszyscy z Uniwersytetu Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson i M. Shepherd of Caltech; W. Holzapfel z UC Berkeley; E. M. Leitch i C. Pryke z University of Chicago; D. Pogosyan z University of Toronto i University of Alberta; oraz R. Bustos, R. Reeves i S. Torres z University of Concepci? n, Chile.
Oryginalne źródło: Caltech News Release
