Kosmologer fra California Institute of Technology har brukt observasjoner som prøvet seg tilbake til universets avsidesliggende epoke da atomer først ble dannet for å oppdage bevegelser blant frøene som ga opphav til klynger av galakser. De nye resultatene viser bevegelsen av primærstoff på vei til å danne galakse klynger og superklynger. Observasjonene ble oppnådd med et instrument høyt i de chilenske Andesfjellene kjent som Cosmic Background Imager (CBI), og de gir ny tillit til nøyaktigheten til standardmodellen i det tidlige universet, hvor hurtig inflasjon skjedde et øyeblikk etter Big Bang .
Det nye trekket ved disse polarisasjonsobservasjonene er at de direkte avslører frøene til galakse-klynger og deres bevegelser da de fortsatte med å danne de første galakser.
Rapportering i den 7. oktober-nettutgaven av Science Express, Caltechs Rawn-professor i astronomi, og hovedetterforsker på CBI-prosjektet, Anthony Readhead og hans team, sier at de nye polarisasjonsresultatene gir sterk støtte for standardmodellen til universet som et sted der mørk materie og mørk energi er mye mer utbredt enn hverdagsmateriale slik vi kjenner det, noe som utgjør et stort problem for fysikken. En ledsagerpapir som beskriver observasjoner av tidlig polarisering med CBI, er blitt forelagt Astrophysical Journal.
Den kosmiske bakgrunnen observert av CBI stammer fra epoken bare 400 000 år etter Big Bang og gir et vell av informasjon om universets natur. På denne avsidesliggende epoken eksisterte ingen av de kjente strukturene i universet - det var ingen galakser, stjerner eller planeter. I stedet var det bare små tetthetssvingninger, og dette var frøene som galakser og stjerner dannes under tyngdekraften.
Instrumenter før CBI hadde oppdaget svingninger i store vinkelskalaer, tilsvarende masser som var mye større enn superklaser av galakser. Den høye oppløsningen av CBI tillot frøene til strukturene vi observerer rundt oss i Space Magazine for første gang i januar 2000.
Det ekspanderende universet avkjølte seg og med 400 000 år etter Big Bang var det kult nok til at elektroner og protoner kunne kombineres for å danne atomer. Før denne tid kunne ikke fotoner reise langt før de kolliderte med et elektron, og universet var som en tett tåke, men på dette tidspunktet ble universet gjennomsiktig, og siden den gang har fotonene streamet fritt over universet for å nå våre teleskoper i dag, 13,8 milliarder år senere. Dermed gir observasjoner av mikrobølgeovnbakgrunnen et øyeblikksbilde av universet, da det var bare 400 000 år etter Big Bang - lenge før dannelsen av de første galakser, stjerner og planeter.
De nye dataene ble samlet inn av CBI mellom september 2002 og mai 2004, og dekker fire lapper av himmel, og omfattet et totalt område tre hundre ganger størrelsen på månen og viser bare fine detaljer bare en brøkdel av månens størrelse. De nye resultatene er basert på en egenskap av lys som kalles polarisering. Dette er en egenskap som enkelt kan demonstreres med et par polariserende solbriller. Hvis man ser på lys reflektert fra et tjern gjennom slike solbriller og deretter roterer solbrillene, ser man reflektert lys varierende i lysstyrke. Dette er fordi det reflekterte lyset er polarisert, og de polariserende solbrillene bare overfører lys hvis polarisering er riktig på linje med brillene. CBI plukker også ut det polariserte lyset, og det er detaljene i dette lyset som avslører bevegelsen til frøene til galakse klynger.
I den totale intensiteten ser vi en serie topper og daler, der toppene er suksessive harmonikker med en grunnleggende "tone." I det polariserte utslippet ser vi også en serie topper og daler, men toppene i det polariserte utslippet faller sammen med dalene i total intensitet, og omvendt. Med andre ord, det polariserte utslippet er nøyaktig uaktuelt med den totale intensiteten. Denne egenskapen ved det polariserte utslippet å være i trinn med den totale intensiteten indikerer at den polariserte utslippet oppstår fra bevegelsen av materialet.
Den første deteksjonen av polarisert utslipp av Degree Angular Scale Interferometer (DASI), søsterprosjektet til CBI, i 2002 ga dramatiske bevis på bevegelse i det tidlige universet, og det samme gjorde målingene fra Wilkinson Microbe Anisotropy Probe (WMAP) i 2003 CBI-resultatene som ble kunngjort i dag, forsterker disse tidligere funnene betydelig ved å demonstrere direkte, og på de små skalaene som tilsvarer galakse-klynger, at den polariserte utslippet er ute av takt med den totale intensiteten.
Andre data om den kosmiske mikrobølgebakgrunnen polarisering ble utgitt for bare to uker siden av DASI-teamet, hvis tre års resultater viser ytterligere overbevisende bevis på at polarisasjonen faktisk skyldes den kosmiske bakgrunnen og ikke er forurenset av stråling fra Melkeveien. Resultatene fra disse to søsterprosjektene kompletterer hverandre derfor nydelig, som intensjonen til Readhead og John Carlstrom, hovedetterforsker av DASI og en medforfatter på CBI-papiret, da de planla disse to instrumentene for ti år siden.
I følge Readhead har “Fysikk ingen tilfredsstillende forklaring på den mørke energien som dominerer universet. Dette problemet byr på den mest alvorlige utfordringen for grunnleggende fysikk siden kvante- og relativistiske revolusjoner for et århundre siden. Suksessene med disse polarisasjonseksperimentene gir tillit til vår evne til å undersøke fine detaljer om den polariserte kosmiske bakgrunnen, som til slutt vil kaste lys over naturen til denne mørke energien. ”
"Suksessen med disse polarisasjonseksperimentene har åpnet et nytt vindu for å utforske universet, noe som kan tillate oss å undersøke de første instansene til universet gjennom observasjoner av gravitasjonsbølger fra inflasjonsepoken," sier Carlstrom.
Analysen av CBI-dataene blir utført i samarbeid med grupper ved National Radio Astronomy Observatory (NRAO) og ved Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
"Dette er virkelig en spennende tid i kosmologisk forskning, med en bemerkelsesverdig konvergens av teori og observasjon, et univers fullt av mysterier som mørk materie og mørk energi, og et fantastisk utvalg av ny teknologi - det er et enormt potensial for grunnleggende oppdagelser her" sier Steve Myers fra NRAO, en medforfatter og nøkkelmedlem i CBI-teamet fra starten.
I følge Richard Bond, direktør for CITA og en medforfatter av avisen, “Som teoretiker på begynnelsen av åttitallet, da vi først viste at størrelsen på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen polarisering sannsynligvis ville være en faktor på hundre nede i makten fra i minuttstemperaturvariasjonene som i seg selv var en heroisk innsats for å oppdage, virket det ønsketenkning at selv i en langt fjern fremtid ville slike minuttsignaler bli avslørt. Med disse polarisasjonsdeteksjonene er ønsket det blitt virkelighet, takket være bemerkelsesverdige teknologiske fremskritt i eksperimenter som CBI. Det har vært vårt privilegium hos CITA å være fullt engasjert som medlemmer av CBI-teamet i å avduke disse signalene og tolke deres kosmologiske betydning for det som har fremstått som standardmodellen for kosmisk strukturdannelse og evolusjon. ”
Det neste trinnet for Readhead og hans CBI-team vil være å avgrense disse polarisasjonsobservasjonene betydelig ved å ta mer data, og for å teste om den polariserte utslippet er nøyaktig uaktuelt med den totale intensiteten med mål om å finne noen ledetråder til naturen eller ikke av mørk materie og mørk energi.
CBI er et mikrobølgeteleskoparray som inneholder 13 separate antenner, hver omtrent tre meter i diameter og fungerer i 10 frekvenskanaler, satt opp sammen, slik at hele instrumentene fungerer som et sett på 780 interferometre. CBI ligger ved Llano de Chajnantor, et høyt platå i Chile på 16 800 fot, noe som gjør det til det desidert mest sofistikerte vitenskapelige instrumentet som noensinne er brukt i så høye høyder. Teleskopet er faktisk så høyt at medlemmer av det vitenskapelige teamet hver må bære oksygen på flaske for å utføre arbeidet.
Oppgraderingen av CBI til polarisasjonsevne ble støttet av et sjenerøst tilskudd fra Kavli Operating Institute, og prosjektet er også den takknemlige mottakeren av fortsatt støtte fra Barbara og Stanley Rawn Jr. CBI støttes også av National Science Foundation, the California Institute of Technology og Canadian Institute for Advanced Research, og har også fått sjenerøs støtte fra Maxine og Ronald Linde, Cecil og Sally Drinkward, og Kavli Institute for Cosmological Physics ved University of Chicago.
I tillegg til forskerne nevnt over, er dagens Science Express-papir medforfatter av C. Contaldi og J. L. Sievers fra CITA, J.K. Cartwright og S. Padin, begge fra Caltech og University of Chicago; B. S. Mason og M. Pospieszalski fra NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus og J. May hele University of Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson, og M. Shepherd of Caltech; W. Holzapfel fra UC Berkeley; E. M. Leitch og C. Pryke fra University of Chicago; D. Pogosyan ved University of Toronto og University of Alberta; og R. Bustos, R. Reeves og S. Torres fra University of Concepci? n, Chile.
Originalkilde: Caltech News Release
