Kosmologer från California Institute of Technology har använt observationer som undersöker tillbaka till universums avlägsna epok när atomer först bildades för att upptäcka rörelser bland frön som gav upphov till galaxkluster. De nya resultaten visar rörelsen från primärt material på väg till att bilda galaxklyngar och superkluster. Observationerna erhölls med ett instrument högt i de chilenska Anderna som kallas Cosmic Background Imager (CBI), och de ger nytt förtroende för noggrannheten i standardmodellen i det tidiga universum där snabb inflation inträffade ett kort ögonblick efter Big Bang .
Det nya inslaget i dessa polarisationsobservationer är att de direkt avslöjar frön från galaxklyngar och deras rörelser när de fortsatte med att bilda de första galaxklyngarna.
Rapportering i den 7 oktober onlineutgåvan av Science Express, Caltechs Rawn Professor of Astronomy, och huvudutredare för CBI-projektet, Anthony Readhead och hans team säger att de nya polarisationsresultaten ger starkt stöd för universums standardmodell som en plats där mörk materia och mörk energi är mycket vanligare än vardagsmaterial som vi känner till, vilket utgör ett stort problem för fysiken. En följeslagare som beskriver tidiga polarisationsobservationer med CBI har lämnats in till Astrophysical Journal.
Den kosmiska bakgrunden som observerats av CBI har sitt ursprung i eran bara 400 000 år efter Big Bang och ger en mängd information om universums natur. Vid denna avlägsna epok fanns ingen av de kända strukturerna i universum - det fanns inga galaxer, stjärnor eller planeter. Istället fanns det bara små täthetsfluktuationer, och dessa var frön från vilka galaxer och stjärnor bildades under tyngdens hand.
Instrument före CBI hade upptäckt fluktuationer på stora vinkelskalor, motsvarande massor som var mycket större än superkluster av galaxer. Den höga upplösningen av CBI gjorde det möjligt för första gången att observera frön från de strukturer som vi observerar omkring oss i Space Magazine i januari 2000.
Det expanderande universum kyldes och med 400 000 år efter Big Bang var det tillräckligt coolt för att elektroner och protoner kunde kombineras till atomer. Före denna tid kunde fotoner inte resa långt innan de kolliderade med en elektron, och universum var som en tät dimma, men vid denna tidpunkt blev universum genomskinliga och sedan den tiden strömmar fotonerna fritt över universum för att nå våra teleskoper idag, 13,8 miljarder år senare. Därför ger observationer av mikrovågsbakgrund en ögonblicksbild av universum eftersom det var bara 400 000 år efter Big Bang - långt innan bildandet av de första galaxerna, stjärnorna och planeterna.
De nya uppgifterna samlades in av CBI mellan september 2002 och maj 2004 och täcker fyra lappar av himlen, som omfattar ett totalt område trehundra gånger månens storlek och visade fina detaljer bara en bråkdel av månens storlek. De nya resultaten är baserade på en egenskap av ljus som kallas polarisering. Detta är en egenskap som enkelt kan demonstreras med ett par polariserande solglasögon. Om man tittar på ljus som reflekteras från ett damm genom sådana solglasögon och sedan roterar solglasögonen ser man det reflekterade ljuset variera i ljusstyrka. Detta beror på att det reflekterade ljuset är polariserat, och de polariserande solglasögonen överför endast ljus vars polarisering är korrekt i linje med glasögonen. CBI plockar också ut det polariserade ljuset, och det är detaljerna i detta ljus som avslöjar rörelsen från frön från galaxkluster.
I den totala intensiteten ser vi en serie toppar och dalar, där topparna är successiva harmonier av en grundläggande "ton." I den polariserade emissionen ser vi också en serie toppar och dalar, men topparna i den polariserade emissionen sammanfaller med dalarna i total intensitet, och vice versa. Med andra ord, den polariserade emissionen är exakt i takt med den totala intensiteten. Denna egenskap hos den polariserade emissionen är i takt med den totala intensiteten indikerar att den polariserade emissionen uppstår från rörelse av materialet.
Den första upptäckten av polariserad emission av graden Angular Scale Interferometer (DASI), CBI: s systerprojekt, gav dramatiska bevis på rörelse i det tidiga universum, liksom mätningarna av Wilkinson Microbienisisroproproben (WMAP) 2003 CBI-resultaten som tillkännagavs i dag förstärker dessa tidigare fynd betydligt genom att direkt och på de små skalorna som motsvarar galaxkluster visa att den polariserade utsläppet är i takt med den totala intensiteten.
Andra data om den kosmiska mikrovågsbakgrundspolarisationen släpptes för bara två veckor sedan av DASI-teamet, vars tre års resultat visar ytterligare tvingande bevis på att polarisationen verkligen beror på den kosmiska bakgrunden och inte är förorenad av strålning från Vintergatan. Resultaten av dessa två systerprojekt kompletterar därför varandra vackert, liksom avsikten från Readhead och John Carlstrom, huvudutredaren för DASI och en medförfattare på CBI-papper, när de planerade dessa två instrument för ett decennium sedan.
Enligt Readhead har fysik ingen tillfredsställande förklaring till den mörka energin som dominerar universum. Detta problem utgör den allvarligaste utmaningen för grundfysiken sedan kvant- och relativistiska revolutionerna för ett sekel sedan. Framgångarna med dessa polarisationsexperiment ger förtroende för vår förmåga att undersöka fina detaljer om den polariserade kosmiska bakgrunden, som så småningom kommer att kasta ljus på denna mörka energis natur. ”
"Framgången med dessa polarisationsexperiment har öppnat ett nytt fönster för att utforska universum som kan göra det möjligt för oss att undersöka universums första instanser genom observationer av gravitationsvågor från inflationsepoken", säger Carlstrom.
Analysen av CBI-data utförs i samarbete med grupper vid National Radio Astronomy Observatory (NRAO) och vid Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
"Detta är verkligen en spännande tid inom kosmologisk forskning, med en anmärkningsvärd konvergens av teori och observation, ett universum fullt av mysterier som mörk materia och mörk energi och ett fantastiskt utbud av ny teknik - det finns en enorm potential för grundläggande upptäckter här" säger Steve Myers från NRAO, en medförfattare och nyckelmedlem i CBI-teamet från starten.
Enligt Richard Bond, chef för CITA och en medförfattare till tidningen, ”Som teoretiker i början av åttiotalet, när vi först visade att storleken på den kosmiska mikrovågsbakgrundspolarisationen troligen skulle vara en faktor på hundra ner i makten från de minuttemperaturvariationer som själva var en heroisk ansträngning att upptäcka, verkade det önsketänkande att även i någon avlägsen framtid skulle sådana minutsignaler avslöjas. Med dessa polarisationsdetekteringar har den önskade blivit verklighet, tack vare anmärkningsvärda tekniska framsteg i experiment som CBI. Det har varit vårt privilegium hos CITA att vara helt engagerade som medlemmar i CBI-teamet för att avslöja dessa signaler och tolka deras kosmologiska betydelse för det som har framkommit som standardmodellen för kosmisk strukturbildning och evolution. ”
Nästa steg för Readhead och hans CBI-team kommer att vara att förfina dessa polarisationsobservationer avsevärt genom att ta mer data och testa huruvida det polariserade utsläppet är exakt i takt med den totala intensiteten med målet att hitta några ledtrådar till naturen av mörk materia och mörk energi.
CBI är en mikrovågsteleskopuppsättning som omfattar 13 separata antenner, vardera cirka tre fot i diameter och fungerar i 10 frekvenskanaler, inställda i samverkan så att hela instrumenten fungerar som en uppsättning av 780 interferometrar. CBI är beläget vid Llano de Chajnantor, en högplatå i Chile på 16 800 fot, vilket gör det överlägset till det mest sofistikerade vetenskapliga instrument som någonsin använts i så höga höjder. Teleskopet är faktiskt så högt att medlemmarna i det vetenskapliga teamet måste bära båda syre på flaska för att göra arbetet.
Uppgraderingen av CBI till polarisationsförmåga stöds av ett generöst bidrag från Kavli Operations Institute, och projektet är också den tacksamma mottagaren av fortsatt stöd från Barbara och Stanley Rawn Jr. CBI stöds också av National Science Foundation, California Institute of Technology och Canadian Institute for Advanced Research och har också fått generöst stöd från Maxine och Ronald Linde, Cecil och Sally Drinkward och Kavli Institute for Cosmological Physics vid University of Chicago.
Förutom de ovan nämnda forskarna är dagens Science Express-papper medförfattare av C. Contaldi och J. L. Sievers från CITA, J.K. Cartwright och S. Padin, båda från Caltech och University of Chicago; B. S. Mason och M. Pospieszalski från NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus och J. May hela University of Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson, och M. Shepherd of Caltech; W. Holzapfel från UC Berkeley; E. M. Leitch och C. Pryke från University of Chicago; D. Pogosyan från University of Toronto och University of Alberta; och R. Bustos, R. Reeves och S. Torres från University of Concepci? n, Chile.
Originalkälla: Caltech News Release
