Kosmologer fra California Institute of Technology har brugt observationer, der søger tilbage til universets fjerntidige epoke, da atomer først dannede sig for at opdage bevægelser blandt frøene, der gav anledning til klynger af galakser. De nye resultater viser bevægelsen af oprindeligt stof på vej til dannelse af galakse klynger og superklynger. Observationerne blev opnået med et instrument højt i de chilenske Andes, kendt som den kosmiske baggrundsimager (CBI), og de giver ny tillid til nøjagtigheden af standardmodellen i det tidlige univers, hvor hurtig inflation skete et kort øjeblik efter Big Bang .
Det nye træk ved disse polarisationsobservationer er, at de direkte afslører frøene fra galakse-klynger og deres bevægelser, da de fortsatte med at danne de første galakser.
Rapportering i online-udgaven af Science Express, Caltechs Rawn professor i astronomi, 7. oktober, og hovedundersøger på CBI-projektet, Anthony Readhead og hans team siger, at de nye polarisationsresultater giver stærk støtte til standardmodellen for universet som et sted, hvor mørk stof og mørk energi er meget mere udbredt end dagligdags stof, som vi kender det, hvilket udgør et stort problem for fysik. Et ledsagende papir, der beskriver tidlige polarisationsobservationer med CBI, er blevet forelagt Astrophysical Journal.
Den kosmiske baggrund observeret af CBI stammer fra æraen kun 400.000 år efter Big Bang og giver et væld af oplysninger om universets natur. På denne fjerntliggende epoke eksisterede ingen af de kendte strukturer i universet - der var ingen galakser, stjerner eller planeter. I stedet var der kun små tæthedssvingninger, og dette var frøene, hvorfra galakser og stjerner dannede sig under tyngdekraften.
Instrumenter forud for CBI havde påvist svingninger i store vinkelskalaer, svarende til masser, der var meget større end superklynger af galakser. CBI's høje opløsning gjorde det muligt at observere frøene til de strukturer, vi observerer omkring os i Space Magazine, for første gang i januar 2000.
Det ekspanderende univers afkøles og med 400.000 år efter Big Bang var det køligt nok til at elektroner og protoner kunne kombineres og danne atomer. Forud for denne tid kunne fotoner ikke rejse langt før de kolliderede med et elektron, og universet var som en tæt tåge, men på dette tidspunkt blev universet gennemsigtigt, og siden den gang har fotonerne streamet frit over universet for at nå vores teleskoper i dag, 13,8 milliarder år senere. Observationer af mikrobølgebaggrunden giver således et øjebliksbillede af universet, da det var kun 400.000 år efter Big Bang - længe før dannelsen af de første galakser, stjerner og planeter.
De nye data blev indsamlet af CBI mellem september 2002 og maj 2004 og dækker fire lapper af himmel, der omfatter et samlet areal tre hundrede gange månens størrelse og viser kun fine detaljer kun en brøkdel af månens størrelse. De nye resultater er baseret på en egenskab med lys kaldet polarisering. Dette er en egenskab, der let kan demonstreres med et par polariserende solbriller. Hvis man ser på lys, der reflekteres fra et dam gennem sådanne solbriller og derefter roterer solbrillerne, ser man det reflekterede lys varierende i lysstyrke. Dette skyldes, at det reflekterede lys er polariseret, og de polariserende solbriller transmitterer kun lys, hvis polarisering er korrekt på linje med brillerne. CBI henter ligeledes det polariserede lys ud, og det er detaljerne i dette lys, der afslører bevægelsen af frøene fra galakse-klynger.
I den totale intensitet ser vi en række toppe og dale, hvor toppe er successive harmonier med en grundlæggende "tone." I den polariserede emission ser vi også en række toppe og dale, men toppe i den polariserede emission falder sammen med dalene i den totale intensitet, og vice versa. Med andre ord er den polariserede emission nøjagtigt ude af trit med den totale intensitet. Denne egenskab ved den polariserede emission er ude af trin med den totale intensitet indikerer, at den polariserede emission stammer fra bevægelsen af materialet.
Den første detektering af polariseret emission ved hjælp af Degree Angular Scale Interferometer (DASI), CBIs søsterprojekt, i 2002 leverede dramatiske beviser for bevægelse i det tidlige univers, ligesom målingerne fra Wilkinson Microbe Anisotropy Probe (WMAP) i 2003 CBI-resultaterne, der blev annonceret i dag, forstærker disse tidligere fund betydeligt ved at demonstrere direkte og på de små skalaer, der svarer til galakse-klynger, at den polariserede emission er ude af trit med den totale intensitet.
Andre data om den kosmiske mikrobølgebaggrundspolarisering blev frigivet for kun to uger siden af DASI-teamet, hvis tre års resultater viser yderligere overbevisende bevis for, at polarisationen faktisk skyldes den kosmiske baggrund og ikke er forurenet med stråling fra Mælkevejen. Resultaterne af disse to søsterprojekter supplerer derfor hinanden smukt, ligesom det var meningen med Readhead og John Carlstrom, hovedundersøger for DASI og en medforfatter på CBI-papiret, da de planlagde disse to instrumenter for et årti siden.
Ifølge Readhead har “Fysik ingen tilfredsstillende forklaring på den mørke energi, der dominerer universet. Dette problem udgør den mest alvorlige udfordring for grundlæggende fysik siden kvante- og relativistiske revolutioner for et århundrede siden. Succesen med disse polarisationseksperimenter giver tillid til vores evne til at undersøge fine detaljer om den polariserede kosmiske baggrund, som til sidst vil kaste lys over arten af denne mørke energi. ”
”Succesen med disse polarisationseksperimenter har åbnet et nyt vindue til at udforske universet, som muligvis kan undersøge de første instanser af universet gennem observationer af tyngdekraftsbølger fra inflationsepoken,” siger Carlstrom.
Analysen af CBI-dataene udføres i samarbejde med grupper på National Radio Astronomy Observatory (NRAO) og ved det canadiske institut for teoretisk astrofysik (CITA).
"Dette er virkelig en spændende tid i kosmologisk forskning med en bemærkelsesværdig konvergens af teori og observation, et univers fuld af mysterier som mørkt stof og mørk energi og et fantastisk udvalg af ny teknologi - der er et enormt potentiale for grundlæggende opdagelser her" siger Steve Myers fra NRAO, en medforfatter og nøglemedlem i CBI-teamet fra starten.
Ifølge Richard Bond, direktør for CITA og en medforfatter til avisen, “Som teoretiker i begyndelsen af firserne, da vi først viste, at størrelsen på den kosmiske mikrobølgebaggrundspolarisering sandsynligvis ville være en faktor på hundrede ned i magten fra de minutte temperaturvariationer, som i sig selv var en heroisk indsats for at opdage, virkede det ønsketænkning, at selv i en langt fjern fremtid ville sådanne minutsignaler blive afsløret. Med disse polarisationsdetektioner er den ønskede blevet realitet takket være bemærkelsesværdige teknologiske fremskridt i eksperimenter som CBI. Det har været vores privilegium hos CITA at være fuldt ud engageret som medlemmer af CBI-teamet til at afsløre disse signaler og fortolke deres kosmologiske betydning for det, der er fremstået som standardmodellen for dannelse og udvikling af kosmisk struktur. ”
Det næste skridt for Readhead og hans CBI-team vil være at forfine disse polarisationsobservationer markant ved at tage flere data og teste, om den polariserede emission er nøjagtigt ude af trit med den totale intensitet med det mål at finde nogle ledetråde til naturen eller ej af det mørke stof og den mørke energi.
CBI er et mikrobølgeteleskoparray, der består af 13 separate antenner, hver på cirka tre fod i diameter og fungerer i 10 frekvenskanaler, der er sat op sammen, så at hele instrumenterne fungerer som et sæt på 780 interferometre. CBI er placeret ved Llano de Chajnantor, et højplateau i Chile på 16.800 fod, hvilket gør det langt det mest sofistikerede videnskabelige instrument nogensinde brugt i så store højder. Teleskopet er faktisk så højt, at medlemmer af det videnskabelige team hver skal bære ilt på flaske for at gøre arbejdet.
Opgraderingen af CBI til polarisationsevne blev understøttet af en generøs bevilling fra Kavli Operations Institute, og projektet er også den taknemmelige modtager af fortsat støtte fra Barbara og Stanley Rawn Jr. CBI støttes også af National Science Foundation, the California Institute of Technology og det canadiske institut for avanceret forskning og har også modtaget generøs støtte fra Maxine og Ronald Linde, Cecil og Sally Drinkward og Kavli Institute for Cosmological Physics ved University of Chicago.
Foruden de ovenfor nævnte forskere er dagens Science Express-papir medforfatter af 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 alle University of Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson, og M. Shepherd fra Caltech; W. Holzapfel fra UC Berkeley; E. M. Leitch og C. Pryke fra University of Chicago; D. Pogosyan fra University of Toronto og University of Alberta; og R. Bustos, R. Reeves og S. Torres fra University of Concepci? n, Chile.
Original kilde: Caltech News Release
