Kao što vinska čaša izobličava sliku koja prikazuje fluktuaciju temperature kozmičke mikrovalne pozadine na ovoj foto ilustraciji, tako i veliki objekti poput galaksija i galaksija mogu slično iskriviti ovo svjetlo stvarajući efekte leće. (Zasluge: Emmanuel Schaan i Simone Ferraro / Berkeley Lab)

Kartiranje tamne materije i tamne energije pomoću kozmičkog filtra

Kozmička mikrovalna pozadina - svjetlost koja je preostala odmah nakon velikog praska - mogla bi se koristiti za mapiranje strukture svemira, otkrivajući tajne tamne materije i tamne energije.

Uzorkovanje najranije poznate svjetlosti u našem svemiru - kozmičke mikrovalne pozadine (CMB) - sadrži mnoge važne tragove u razvoju i distribuciji velikih razmjera poput galaksija i galaksija.

Popake u CMB-u - koje su se emitirale 380.000 godina nakon velikog praska - uzrokovane fenomenom poznat kao leća, mogu otkriti finu strukturu svemira. To također znači da nam potencijalno može reći stvari o tajanstvenom, nevidljivom 'mračnom svemiru' - tamnoj energiji, koja čini oko 68% svemira i što čini njegovo ubrzano širenje, i tamnoj materiji - na koja otpada oko 27% svemir.

Svemir s dna bazena

Zamislite Svemir kao uzorak rešetke ispisan na dnu bazena. Gravitacijski učinci materije i energije dodaju se slično kao što voda puni bazen. Dno gledamo kroz vodu - istegnuto i stisnuto zbog poremećaja u površini.

Gravitacijski efekti velikih objekata poput galaksija i galaksija savijaju CMB svjetlost na različite načine. Ti efekti leće mogu biti suptilni - slabi leći - za daleke i male galaksije, a računalni programi ih mogu prepoznati jer narušavaju uobičajeno uzorkovanje CMB-a.

R.Lambourne (2012)

Postoje, pak, poznata pitanja s točnošću mjerenja leća - osobito s mjerenjima CMB-a temeljenim na temperaturi i povezanim efektima leće.

Premda leća može biti moćan alat za proučavanje nevidljivog svemira i može nam potencijalno pomoći da razvrstamo svojstva sablasnih subatomskih čestica poput neutrina, svemir je po sebi nered.

Kotao plina i prašine u drugim galaksijama, između ostalih faktora, mogu zamagliti naš pogled i dovesti do neispravnih očitanja CMB leće.

Skup kozmičkih mikrovalnih pozadinskih slika bez efekata leće (gornji red) i s pretjeranim kozmičkim mikrovalnim pozadinskim efektima leće (donji red). (Wayne Hu i Takemi Okamoto / University of Chicago)

Iako postoje neki alati za filtriranje koji pomažu istraživačima da ograniče ili prikriju neke od ovih učinaka - ove poznate opstrukcije i dalje su glavni problem u mnogim studijama koje se oslanjaju na mjerenja na temelju temperature.

Učinci ove smetnje na CMB studijama temeljenim na temperaturi mogu dovesti do pogrešnih mjerenja leća, kaže Emmanuel Schaan, postdoktorski istraživač i postdoktorski suradnik Owen Chamberlain iz Odjela za fiziku pri Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley (Laboratorija Berkeley).

On kaže: "Možete biti u krivu i ne znate to. Postojeće metode ne funkcioniraju savršeno - stvarno ograničavaju. "

Da bi riješio ovaj problem, Schaan se udružio sa Simone Ferraro, suradnikom Divizije u odjelu za fiziku Berkeley Lab-a, kako bi razvio način za poboljšanje jasnoće i točnosti mjerenja leća CMB, odvojeno računajući različite vrste efekata leće.

Schaan dodaje: "Lensing može povećati ili demagirati stvari. Takođe ih izobličuje duž određene osi, tako da se pružaju u jednom smjeru. "

Istraživači to uspoređuju s gledanjem površine stola kroz stabljiku vinske čaše.

Tim je otkrio da je određeni potpis objektiva - šišanje - koji uzrokuje istezanje u jednom smjeru, u velikoj mjeri imun na efekte „buke“ prednjeg plana koji inače ometaju podatke o lećanju CMB-a.

Ove slike prikazuju različite vrste emisija koje mogu ometati mjerenja leća CMB-a, kako ih je simulirala Neelima Sehgal i suradnici. S lijeva na desno: Kozmička infracrvena pozadina sastavljena od intergalaktičke prašine; izvori radio točke ili radio emisije iz drugih galaksija; kinematički Sunyaev-Zel'dovich efekt, produkt plina u drugim galaksijama; i toplinski Sunyaev-Zel'dovich efekt, koji se također odnosi na plin u drugim galaksijama. (Emmanuel Schaan i Simone Ferraro / Berkeley Lab)

U međuvremenu, efekt leće poznat pod nazivom povećavanje, sklon je pogreškama unesenim bukom u prvom planu. Njihova studija objavljena u časopisu Physical Review Letters primjećuje "dramatično smanjenje" ove margine pogreške kada se usredotočuju samo na smicanje učinka.

Izvori leća, koji su veliki predmeti koji stoje između nas i CMB svjetla, obično su galaksijske skupine i klasteri koji imaju približno sferični profil u temperaturnim kartama, primjećuje Ferraro, a najnovija studija otkrila je da emisija različitih oblika Čini se da svjetlost iz tih objekata „prednjeg plana“ oponaša samo efekte povećavanja u leći, ali ne i efekte smicanja.

Ferrano kaže: "Rekli smo:" Oslonimo se samo na smicanje i bit ćemo imuni na prednje efekte ".

"Kada imate mnoge od tih galaksija koje su uglavnom sferne, i prosječno ih postavljate, one onečišćuju samo povećali dio mjerenja. Za smicanje - sve pogreške su u osnovi nestale. "

On nastavlja: „Smanjuje buku i omogućava nam da dobijemo bolje karte. I sigurniji smo da su te karte točne. Čak i kad mjerenja uključuju vrlo udaljene galaksije kao predmete koji služe u prvom planu. "

Koristi niz eksperimenata

Studija napominje da bi nova metoda mogla imati koristi za niz eksperimenata nebeskih istraživanja - uključujući eksperimente POLARBEAR-2 i Simons Array u kojima su sudjelovali Berkeley Lab i UC Berkeley; projekt Napredni Atacama kozmološki teleskop (AdvACT); i teleskop Južnog pola - 3G kamera (SPT-3G). Također bi moglo pomoći Simons opservatory i predloženi multilokacijski eksperiment CMB nove generacije poznat kao CMB-S4 - znanstvenici Berkeley laboratorija uključeni su u planiranje oba ova nastojanja.

Metoda bi također mogla poboljšati podatke dobivene iz budućih galaktičkih istraživanja poput projekta Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) pod vodstvom laboratorija Berkeley - koji se trenutno gradi blizu Tucson-a, Arizona, i projekta Large Synoptic Survey Telescope (LSST) koji se gradi u Čileu, zajedničkim analizama podataka s tih nebeskih anketa i podataka leća CMB.

Sve veće skupove podataka iz astrofizičkih eksperimenata dovele su do veće koordinacije u usporedbi podataka kroz eksperimente kako bi se dobili smisleniji rezultati. Kao što Ferrano ističe: "Ovih je dana sinergija između istraživanja CMB-a i galaksija velika stvar."

Vodeći svjetski superračunalni centar otvorene znanosti omogućuje istraživačima simulacije kvantnih računala (Berkeley)

U ovoj studiji, istraživači su se oslanjali na simulirane podatke o CMB-u punog neba - koristeći resurse u Nacionalnom znanstvenom računskom centru za istraživanje energije u Berkeley Lab-u (NERSC) kako bi testirali njihovu metodu na sva četiri različita izvora prvog buke. To uključuje efekte infracrvenog zračenja, radiofrekvencije, toplotne i elektronske interakcije koji mogu kontaminirati mjerenja leća CMB.

U studiji se primjećuje da su kozmički infracrveni pozadinski šum, plus šum zbog interakcije CMB fotona s visokoenergetskim elektronima bili najproblematičniji izvori za rješavanje pomoću standardnih alata za filtriranje u mjerenjima CMB-a. Neki postojeći i budući CMB eksperimenti nastoje ublažiti te učinke uz pomoć preciznih mjerenja polarizacije ili orijentacije CMB svjetlosnog potpisa, a ne njegove temperature.

Schaan dodaje: "Ovaj projekt ne bismo mogli napraviti bez računalnog klastera poput NERSC-a."

NERSC se također pokazao korisnim u opsluživanju drugih simulacija svemira kako bi se pripremio za nadolazeće eksperimente poput DESI.

Metoda koju su razvili Schaan i Ferraro već se primjenjuje u analizi podataka trenutnih eksperimenata. Jedna moguća primjena je razviti detaljnije vizualizacije filamenta tamne materije i čvorova za koje se čini da povezuju materiju u svemiru putem složenog i mijenjajućeg se kozmičkog spleta.

Istraživači su prijavili pozitivan prijem na novo uvedenu metodu.

Ferrano zaključuje: "To je bio izvanredan problem o kojem su mnogi razmišljali.

"Sretni smo što smo pronašli elegantna rješenja."

Izvorno istraživanje: https://journals.aps.org/prl/abrief/10.1103/PhysRevLett.122.181301