Nii nagu veiniklaas moonutab selle foto illustratsioonil kujutist, mis näitab temperatuurikõikumisi kosmilise mikrolaine taustal, võivad suured objektid, näiteks galaktikaparved ja galaktikad, moonutada seda valgust läätsedefektide tekitamiseks. (Autor: Emmanuel Schaan ja Simone Ferraro / Berkeley Lab)

Tumeda aine ja tumeda energia kaardistamine kosmilise filtriga

Kosmilist mikrolaine tausta - valgust, mis on jäänud kohe pärast suurt pauku - saab kasutada universumi struktuuri kaardistamiseks, paljastades sel moel tumeaine ja tumeda energia saladused.

Meie universumi varaseima teadaoleva valguse - kosmilise mikrolaine fooni (CMB) - mustriline kujundus hoiab paljusid olulisi näpunäiteid selliste suuremahuliste struktuuride nagu galaktikad ja galaktikaparved arendamisel ja levitamisel.

Läätsedena tuntud nähtuse põhjustatud moonutused CMB-s, mis tekivad 380 000 aastat pärast suurt pauku, võivad paljastada universumi peene struktuuri. See tähendab ka, et see võib meile potentsiaalselt öelda asju salapärase, nähtamatu „tumeda universumi” kohta - tume energia, mis moodustab umbes 68% universumist ja moodustab selle kiireneva laienemise, ning tumeaine - mis moodustab umbes 27% universum.

Universum ujula põhjast

Kujutage Universumit ujula põhjale trükitud ruudustikmustrina. Aine ja energia gravitatsioonilised mõjud on lisatud sarnaselt veega, mis täidab basseini. Vaatleme põhja läbi vee - venitatud ja pigistatud pinna häiringute tõttu.

Suurte objektide, näiteks galaktikate ja galaktikaparvede gravitatsiooniefektid painutavad CMB valgust erineval viisil. Need läätseefektid võivad kaugete ja väikeste galaktikate jaoks olla peened - nõrk läätsed - ning arvutiprogrammid saavad neid tuvastada, kuna need häirivad CMB regulaarset mustrit.

R.Lambourne (2012)

Objektiivi mõõtmise täpsusega on siiski teada mõningaid probleeme - eriti CMB temperatuuril põhinevate mõõtmiste ja sellega seotud läätseefektide osas.

Ehkki läätsed võivad olla võimas vahend nähtamatu universumi uurimiseks ja võivad isegi potentsiaalselt aidata meil välja uurida kummituslike subatomaatiliste osakeste (nt neutriinode) omadused, on universum oma olemuselt räpane koht.

Teistes galaktikates tiirlev gaas ja tolm võivad muu hulgas varjutada meie vaatepilti ja viia CMB-objektiivi vigase lugemiseni.

Komplekt kosmilisi mikrolaine taustpilte, millel puuduvad läätseefektid (ülemine rida) ja liialdatud kosmiliste mikrolainete taustläätsedefektidega (alumine rida). (Wayne Hu ja Takemi Okamoto / Chicago ülikool)

Ehkki on olemas mõned filtreerimisriistad, mis aitavad teadlastel mõnda neist mõjudest piirata või varjata, on need teadaolevad takistused endiselt suur probleem paljudes temperatuuripõhistel mõõtmistel põhinevates uuringutes.

Selle temperatuuril põhinevate CMB-uuringutega seotud häirete tagajärjed võivad põhjustada objektiivide ebaõigeid mõõtmisi, väidab järeldoktor Emmanuel Schaan ja Owen Chamberlaini järeldoktor Füüsika osakonna füüsikaosakonnas Energeetika osakonna Lawrence Berkeley riiklikus laboris (Berkeley Lab).

Ta ütleb: „Võite eksida ja ei tea seda. Olemasolevad meetodid ei tööta ideaalselt - need on tõesti piiravad. ”

Selle probleemi lahendamiseks tegi Schaan koostööd Berkeley Labi füüsikaosakonna osakonnajuhataja Simone Ferraroga, et töötada välja viis CMB-objektiivide mõõtmise selguse ja täpsuse parandamiseks, pidades eraldi arvestust eri tüüpi läätseefektide kohta.

Schaan lisab: “Objektiivi objektiiv võib asju suuremaks muuta või demagneerida. Samuti moonutab see neid mööda teatud telge, nii et need on venitatud ühes suunas. ”

Teadlased võrdlesid seda laua pinna vaatamisega läbi veiniklaasi varre.

Meeskond leidis, et teatav objektiivi signaal - lõikumine -, mis põhjustab selle venituse ühes suunas, näib olevat suuresti puutumatu esiplaanil esinevate mürafektide suhtes, mis muidu segavad CMB objektiivi andmeid.

Neelima Sehgal ja kaastöötajad jäljendasid neid pilte erinevat tüüpi emissioone, mis võivad häirida CMB läätse mõõtmist. Vasakult paremale: kosmiline infrapuna taust, mis koosneb galaktikatevahelisest tolmust; raadiopunktiallikad või muudest galaktikatest pärit raadiokiirgus; kinemaatiline Sunyaev-Zel’dovichi efekt, gaasi produkt teistes galaktikates; ja termiline Sunyaev-Zel’dovichi efekt, mis on seotud ka gaasiga teistes galaktikates. (Emmanuel Schaan ja Simone Ferraro / Berkeley Lab)

Vahepeal suurenduseks tuntud läätseefektile on altid esiplaanil oleva müra põhjustatud vead. Nende uurimuses, mis avaldati ajakirjas Physical Review Letters, märgitakse selle veamarginaali "dramaatilist vähenemist", kui keskendutakse ainult nihkefektidele.

Objektiivi allikad, mis on suured objektid, mis seisavad meie ja CMB valguse vahel, on tavaliselt galaktikarühmad ja klastrid, mille temperatuurikaartidel on umbes sfääriline profiil, märgib Ferraro, ja uusim uuring leidis, et mitmesuguste Nendest esiplaanil olevatest objektidest tulenev valgus näib jäljendavat ainult läätsede suurendusmõjusid, kuid mitte nihkejõudu.

Ferrano ütleb: „Me ütlesime, et„ tuginegem ainult nihkele ja oleme esiplaanil olevate mõjude suhtes puutumatud “.

„Kui teil on palju selliseid galaktikaid, mis on enamasti sfäärilised, ja kui te neid keskmiselt arvestate, siis need saastavad ainult mõõtmise suurenduse osa. Nihutamiseks - kõik vead on põhimõtteliselt kadunud. ”

Ta jätkab: „See vähendab müra, võimaldades meil saada paremaid kaarte. Ja oleme kindlamad, et need kaardid on õiged. Isegi siis, kui mõõtmised hõlmavad esiplaaniläätsedena väga kaugeid galaktikaid. ”

Kasu paljudele katsetele

Uuringus märgitakse, et uus meetod võiks tuua kasu paljudele taevavaatluskatsetele - sealhulgas POLARBEAR-2 ja Simons Array eksperimendid, milles osalevad Berkeley Lab ja UC Berkeley; arenenud Atacama kosmoloogilise teleskoobi (AdvACT) projekt; ja Lõunapooluse teleskoop - 3G kaamera (SPT-3G). See võiks olla abiks ka Simoni observatooriumile ja kavandatud järgmise põlvkonna, mitme asetusega CMB-eksperimendile, mida tuntakse CMB-S4 nime all - Berkeley Labi teadlased on kaasatud mõlema tegevuse kavandamisse.

Meetod võiks samuti täiustada andmeid, mis on saadud tulevastest galaktilistest uuringutest, näiteks Berkeley Labi juhitud Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) projektist - mida praegu ehitatakse Arizonas Tucsoni lähedal, ja Tšiilis ehitatavas projektis Large Synoptic Survey Telescope (LSST). nende taevavaatluste ja CMB objektiivide andmete ühiste analüüside kaudu.

Astrofüüsikakatsete üha suurenenud andmestikud on viinud katsete andmete võrdlemise parema kooskõlastamiseni, et anda sisukamaid tulemusi. Nagu Ferrano märgib: "Nendel päevadel on CMB ja galaktikate uuringute sünergia suur asi."

Maailma juhtiv avatud teaduse superarvutiüksus võimaldab teadlastel simuleerida kvantarvuteid (Berkeley)

Selles uuringus tuginesid teadlased täise taeva CMB andmetele - kasutades Berkeley Labi Riikliku Energiauuringute Teadusarvutuskeskuse (NERSC) ressursse, et testida oma meetodit kõigi nelja erineva esiplaanil oleva müraallika osas. See hõlmab infrapunakiirgust, raadiosageduse, termilisi ja elektronide interaktsioone, mis võivad saastada CMB läätse mõõtmisi.

Uuringus märgitakse, et kosmilise infrapuna taustmüra, millele lisandub CMB footonite ja kõrge energiaga elektronide interaktsioonist tekkiv müra, on kõige problemaatilisemad allikad CMB mõõtmisel standardsete filtreerimisriistade abil. Mõnede olemasolevate ja tulevaste CMB-katsete eesmärk on neid mõjusid vähendada, mõõtes CMB valguse signaali polarisatsiooni või orientatsiooni, mitte selle temperatuuri.

Schaan lisab: "Me poleks saanud seda projekti teha ilma arvutiklastrita nagu NERSC."

NERSC on osutunud kasulikuks ka muude universumi simulatsioonide pakkumisel, et aidata valmistuda eelseisvateks katseteks, näiteks DESI.

Schaani ja Ferraro välja töötatud meetodit rakendatakse juba praeguste katsete andmete analüüsimisel. Üks võimalik rakendus on tumedama aine hõõgniitide ja sõlmede üksikasjalikumad visuaalsed kujundused, mis näivad ühendavat ainet universumis keeruka ja muutuva kosmilise veebi kaudu.

Teadlased teatasid oma hiljuti kasutusele võetud meetodi positiivsest vastuvõtust.

Ferrano järeldab: „See oli silmapaistev probleem, mille peale paljud inimesed olid mõelnud.

"Meil on hea meel leida elegantseid lahendusi."

Algupärane uurimistöö: https://journals.aps.org/prl/ab Abstract/10.1103/PhysRevLett.122.181301