Kosmologen des California Institute of Technology haben Beobachtungen verwendet, die bis in die ferne Epoche des Universums zurückreichen, als sich Atome bildeten, um Bewegungen zwischen den Samen zu erkennen, die zu Galaxienhaufen führten. Die neuen Ergebnisse zeigen die Bewegung der Urmaterie auf dem Weg zur Bildung von Galaxienhaufen und Superhaufen. Die Beobachtungen wurden mit einem Instrument hoch in den chilenischen Anden erhalten, das als Cosmic Background Imager (CBI) bekannt ist, und sie geben neues Vertrauen in die Genauigkeit des Standardmodells des frühen Universums, in dem kurz nach dem Urknall eine schnelle Inflation auftrat .
Das neue Merkmal dieser Polarisationsbeobachtungen ist, dass sie direkt die Keime von Galaxienhaufen und ihre Bewegungen enthüllen, während sie die ersten Galaxienhaufen bilden.
Anthony Readhead und sein Team berichten in der Online-Ausgabe von Science Express vom 7. Oktober, dem Rawn-Professor für Astronomie von Caltech und Hauptforscher des CBI-Projekts, dass die neuen Polarisationsergebnisse das Standardmodell des Universums als Ort, an dem es sich befindet, nachdrücklich unterstützen Dunkle Materie und dunkle Energie sind viel häufiger als die alltägliche Materie, wie wir sie kennen, was ein großes Problem für die Physik darstellt. Ein Begleitpapier, das frühe Polarisationsbeobachtungen mit dem CBI beschreibt, wurde dem Astrophysical Journal vorgelegt.
Der vom CBI beobachtete kosmische Hintergrund stammt aus der Zeit nur 400.000 Jahre nach dem Urknall und liefert eine Fülle von Informationen über die Natur des Universums. In dieser fernen Epoche existierte keine der bekannten Strukturen des Universums - es gab keine Galaxien, Sterne oder Planeten. Stattdessen gab es nur winzige Dichteschwankungen, und dies waren die Samen, aus denen sich unter der Hand der Schwerkraft Galaxien und Sterne bildeten.
Instrumente vor dem CBI hatten Schwankungen auf großen Winkelskalen festgestellt, die Massen entsprachen, die viel größer waren als Supercluster von Galaxien. Die hohe Auflösung des CBI ermöglichte es, die Keime der Strukturen, die wir im Space Magazine um uns herum beobachten, im Januar 2000 zum ersten Mal zu beobachten.
Das expandierende Universum kühlte ab und 400.000 Jahre nach dem Urknall war es kühl genug, damit sich Elektronen und Protonen zu Atomen verbinden konnten. Vor dieser Zeit konnten sich Photonen nicht weit bewegen, bevor sie mit einem Elektron kollidierten, und das Universum war wie ein dichter Nebel, aber zu diesem Zeitpunkt wurde das Universum transparent und seitdem strömen die Photonen frei über das Universum, um unsere heutigen Teleskope zu erreichen. 13,8 Milliarden Jahre später. Beobachtungen des Mikrowellenhintergrunds liefern somit eine Momentaufnahme des Universums, wie es nur 400.000 Jahre nach dem Urknall war - lange vor der Bildung der ersten Galaxien, Sterne und Planeten.
Die neuen Daten wurden vom CBI zwischen September 2002 und Mai 2004 gesammelt und decken vier Himmelsbereiche ab, die eine Gesamtfläche von dreihundert Mal der Größe des Mondes umfassen und feine Details zeigen, die nur einen Bruchteil der Größe des Mondes ausmachen. Die neuen Ergebnisse basieren auf einer Eigenschaft des Lichts, die als Polarisation bezeichnet wird. Dies ist eine Eigenschaft, die mit einer polarisierenden Sonnenbrille leicht demonstriert werden kann. Wenn man Licht betrachtet, das von einem Teich durch eine solche Sonnenbrille reflektiert wird, und dann die Sonnenbrille dreht, sieht man, dass das reflektierte Licht in seiner Helligkeit variiert. Dies liegt daran, dass das reflektierte Licht polarisiert ist und die polarisierende Sonnenbrille nur Licht durchlässt, dessen Polarisation richtig auf die Brille ausgerichtet ist. Das CBI nimmt ebenfalls das polarisierte Licht auf, und es sind die Details dieses Lichts, die die Bewegung der Keime von Galaxienhaufen offenbaren.
In der Gesamtintensität sehen wir eine Reihe von Gipfeln und Tälern, in denen die Spitzen aufeinanderfolgende Harmonische eines fundamentalen „Tons“ sind. In der polarisierten Emission sehen wir auch eine Reihe von Spitzen und Tälern, aber die Spitzen in der polarisierten Emission stimmen mit den Tälern in der Gesamtintensität überein und umgekehrt. Mit anderen Worten, die polarisierte Emission stimmt nicht mit der Gesamtintensität überein. Diese Eigenschaft, dass die polarisierte Emission nicht mit der Gesamtintensität übereinstimmt, zeigt an, dass die polarisierte Emission aus der Bewegung des Materials entsteht.
Der erste Nachweis der polarisierten Emission mit dem Degree Angular Scale Interferometer (DASI), dem Schwesterprojekt des CBI, im Jahr 2002 lieferte dramatische Hinweise auf Bewegungen im frühen Universum, ebenso wie die Messungen mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) im Jahr 2003 Die heute angekündigten CBI-Ergebnisse ergänzen diese früheren Ergebnisse erheblich, indem sie direkt und auf kleinen Skalen, die Galaxienhaufen entsprechen, zeigen, dass die polarisierte Emission nicht mit der Gesamtintensität übereinstimmt.
Weitere Daten zur kosmischen Mikrowellenhintergrundpolarisation wurden erst vor zwei Wochen vom DASI-Team veröffentlicht, dessen dreijährige Ergebnisse weitere überzeugende Beweise dafür liefern, dass die Polarisation tatsächlich auf den kosmischen Hintergrund zurückzuführen ist und nicht durch Strahlung aus der Milchstraße kontaminiert ist. Die Ergebnisse dieser beiden Schwesterprojekte ergänzen sich daher wunderbar, ebenso wie die Absicht von Readhead und John Carlstrom, dem Hauptforscher von DASI und Mitautor des CBI-Papiers, als sie diese beiden Instrumente vor einem Jahrzehnt planten.
Laut Readhead hat „die Physik keine zufriedenstellende Erklärung für die dunkle Energie, die das Universum dominiert. Dieses Problem stellt die fundamentale Physik vor die größte Herausforderung seit den quanten- und relativistischen Revolutionen vor einem Jahrhundert. Die Erfolge dieser Polarisationsexperimente geben Vertrauen in unsere Fähigkeit, feine Details des polarisierten kosmischen Hintergrunds zu untersuchen, die schließlich Licht auf die Natur dieser dunklen Energie werfen werden. “
"Der Erfolg dieser Polarisationsexperimente hat ein neues Fenster für die Erforschung des Universums geöffnet, das es uns ermöglichen könnte, die ersten Momente des Universums durch Beobachtung von Gravitationswellen aus der Epoche der Inflation zu untersuchen", sagt Carlstrom.
Die Analyse der CBI-Daten wird in Zusammenarbeit mit Gruppen des National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und des Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) durchgeführt.
"Dies ist wirklich eine aufregende Zeit in der kosmologischen Forschung, mit einer bemerkenswerten Konvergenz von Theorie und Beobachtung, einem Universum voller Geheimnisse wie dunkler Materie und dunkler Energie und einer fantastischen Reihe neuer Technologien - hier gibt es ein enormes Potenzial für grundlegende Entdeckungen." sagt Steve Myers von der NRAO, von Anfang an Mitautor und Schlüsselmitglied des CBI-Teams.
Richard Bond, Direktor von CITA und Mitautor des Papiers, sagte: „Als Theoretiker in den frühen achtziger Jahren, als wir zum ersten Mal zeigten, dass die Größe der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundpolarisation wahrscheinlich einen Faktor von hundert weniger Leistung haben würde Angesichts der winzigen Temperaturschwankungen, die selbst eine heldenhafte Anstrengung waren, schien es wünschenswert zu sein, dass auch in ferner Zukunft solche winzigen Signale aufgedeckt würden. Mit diesen Polarisationserkennungen ist das Gewünschte dank bemerkenswerter technologischer Fortschritte bei Experimenten wie CBI Wirklichkeit geworden. Es war unser Privileg bei CITA, als Mitglieder des CBI-Teams diese Signale vollständig zu enthüllen und ihre kosmologische Bedeutung für das zu interpretieren, was sich als Standardmodell für die Bildung und Evolution kosmischer Strukturen herausgestellt hat. “
Der nächste Schritt für Readhead und sein CBI-Team besteht darin, diese Polarisationsbeobachtungen durch die Aufnahme weiterer Daten erheblich zu verfeinern und zu testen, ob die polarisierte Emission genau nicht mit der Gesamtintensität übereinstimmt oder nicht, um Hinweise auf die Natur zu finden der dunklen Materie und der dunklen Energie.
Das CBI ist eine Mikrowellenteleskopanordnung mit 13 separaten Antennen, die jeweils einen Durchmesser von etwa drei Fuß haben und in 10 Frequenzkanälen arbeiten und so angeordnet sind, dass das gesamte Instrument als Satz von 780 Interferometern fungiert. Das CBI befindet sich in Llano de Chajnantor, einem Hochplateau in Chile auf 16.800 Fuß. Damit ist es das mit Abstand fortschrittlichste wissenschaftliche Instrument, das jemals in so großen Höhen eingesetzt wurde. Das Teleskop ist in der Tat so hoch, dass Mitglieder des wissenschaftlichen Teams jeweils abgefüllten Sauerstoff mitführen müssen, um die Arbeit zu erledigen.
Die Aufrüstung des CBI auf Polarisationsfähigkeit wurde durch einen großzügigen Zuschuss des Kavli Operating Institute unterstützt, und das Projekt ist auch der dankbare Empfänger der anhaltenden Unterstützung von Barbara und Stanley Rawn Jr. Das CBI wird auch von der National Science Foundation, dem Das California Institute of Technology und das Canadian Institute for Advanced Research erhielten großzügige Unterstützung von Maxine und Ronald Linde, Cecil und Sally Drinkward sowie dem Kavli Institute for Cosmological Physics an der University of Chicago.
Zusätzlich zu den oben genannten Wissenschaftlern wird das heutige Science Express-Papier von C. Contaldi und J. L. Sievers von CITA, J.K. Cartwright und S. Padin, beide von Caltech und der University of Chicago; B. S. Mason und M. Pospieszalski von der NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus und J. May, alle von der Universität von Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T.J. Pearson und M. Shepherd von Caltech; W. Holzapfel von der UC Berkeley; E. M. Leitch und C. Pryke von der University of Chicago; D. Pogosyan von der University of Toronto und der University of Alberta; und R. Bustos, R. Reeves und S. Torres von der Universität von Concepci? n, Chile.
Originalquelle: Caltech-Pressemitteilung
