Kosmologen van het California Institute of Technology hebben waarnemingen gebruikt die teruggaan naar het verre tijdperk van het universum toen atomen zich voor het eerst vormden om bewegingen tussen de zaden te detecteren die aanleiding gaven tot clusters van sterrenstelsels. De nieuwe resultaten tonen de beweging van primordiale materie op weg naar het vormen van clusters van sterrenstelsels en superclusters. De waarnemingen zijn verkregen met een instrument hoog in de Chileense Andes, bekend als de Cosmic Background Imager (CBI), en ze geven nieuw vertrouwen in de nauwkeurigheid van het standaardmodel van het vroege universum waarin snelle inflatie kort na de oerknal plaatsvond. .
Het nieuwe kenmerk van deze polarisatieobservaties is dat ze direct de zaden van clusters van sterrenstelsels en hun bewegingen onthullen terwijl ze verder gingen om de eerste clusters van sterrenstelsels te vormen.
Anthony Readhead en zijn team rapporteren in de online editie van Science Express van 7 oktober, Caltech's Rawn Professor of Astronomy en hoofdonderzoeker van het CBI-project, dat de nieuwe polarisatieresultaten een sterke ondersteuning bieden voor het standaardmodel van het universum als een plaats waarin donkere materie en donkere energie komen veel vaker voor dan de alledaagse materie zoals we die kennen, wat een groot probleem vormt voor de natuurkunde. Een begeleidend artikel dat vroege polarisatie-waarnemingen met de CBI beschrijft, is ingediend bij het Astrophysical Journal.
De door de CBI waargenomen kosmische achtergrond stamt uit het tijdperk slechts 400.000 jaar na de oerknal en biedt een schat aan informatie over de aard van het universum. In dit verre tijdperk bestond geen van de bekende structuren van het universum - er waren geen sterrenstelsels, sterren of planeten. In plaats daarvan waren er slechts zeer kleine fluctuaties in de dichtheid, en dit waren de zaden waaruit sterrenstelsels en sterren gevormd werden onder de zwaartekracht.
Instrumenten vóór de CBI hadden fluctuaties op grote hoekschalen gedetecteerd, wat overeenkomt met massa's die veel groter zijn dan superclusters van sterrenstelsels. Door de hoge resolutie van de CBI konden de zaden van de structuren die we om ons heen in het Space Magazine waarnemen in januari 2000 voor het eerst worden waargenomen.
Het uitdijende heelal koelde af en 400.000 jaar na de oerknal was het koel genoeg voor elektronen en protonen om atomen te vormen. Voor die tijd konden fotonen niet ver reizen voordat ze in botsing kwamen met een elektron, en het universum was als een dichte mist, maar op dit punt werd het universum transparant en sinds die tijd zijn de fotonen vrij door het universum gestroomd om onze telescopen vandaag te bereiken, 13,8 miljard jaar later. Zo geven waarnemingen van de achtergrond van de microgolf een momentopname van het heelal zoals het slechts 400.000 jaar na de oerknal was - lang voor de vorming van de eerste sterrenstelsels, sterren en planeten.
De nieuwe gegevens zijn tussen september 2002 en mei 2004 door het CBI verzameld en beslaan vier hemelvlakken, omvatten een totale oppervlakte van driehonderd keer de grootte van de maan en vertonen fijne details slechts een fractie van de grootte van de maan. De nieuwe resultaten zijn gebaseerd op een eigenschap van licht die polarisatie wordt genoemd. Dit is een eigenschap die gemakkelijk kan worden aangetoond met een polariserende zonnebril. Als je door zo'n zonnebril naar licht kijkt dat door een vijver wordt gereflecteerd en vervolgens de zonnebril draait, zie je het gereflecteerde licht in helderheid variëren. Dit komt omdat het gereflecteerde licht gepolariseerd is en de polariserende zonnebril alleen licht doorlaat waarvan de polarisatie goed is uitgelijnd met de bril. De CBI pikt ook het gepolariseerde licht op, en het zijn de details van dit licht die de beweging van de zaden van sterrenstelsels onthullen.
In de totale intensiteit zien we een reeks pieken en dalen, waarbij de pieken opeenvolgende harmonischen zijn met een fundamentele 'toon'. In de gepolariseerde emissie zien we ook een reeks pieken en dalen, maar de pieken in de gepolariseerde emissie vallen samen met de dalen in de totale intensiteit, en vice versa. Met andere woorden, de gepolariseerde emissie is niet in overeenstemming met de totale intensiteit. Deze eigenschap dat de gepolariseerde emissie niet overeenkomt met de totale intensiteit geeft aan dat de gepolariseerde emissie voortkomt uit de beweging van het materiaal.
De eerste detectie van gepolariseerde emissie door de Degree Angular Scale Interferometer (DASI), het zusterproject van de CBI, leverde in 2002 dramatisch bewijs op van beweging in het vroege universum, evenals de metingen door de Wilkinson Microgolfanisotropiesonde (WMAP) in 2003 De vandaag aangekondigde CBI-resultaten versterken deze eerdere bevindingen aanzienlijk door direct en op de kleine schaal die overeenkomt met clusters van sterrenstelsels aan te tonen dat de gepolariseerde emissie niet strookt met de totale intensiteit.
Andere gegevens over de polarisatie van de achtergrond van de kosmische microgolven zijn slechts twee weken geleden vrijgegeven door het DASI-team, waarvan de resultaten van drie jaar verder overtuigend bewijs tonen dat de polarisatie inderdaad het gevolg is van de kosmische achtergrond en niet is vervuild door straling van de Melkweg. De resultaten van deze twee zusterprojecten vullen elkaar daarom prachtig aan, zoals de bedoeling was van Readhead en John Carlstrom, de hoofdonderzoeker van DASI en een co-auteur op het CBI-papier, toen ze deze twee instrumenten tien jaar geleden hadden gepland.
Volgens Readhead: 'Fysica heeft geen bevredigende verklaring voor de donkere energie die het universum domineert. Dit probleem vormt de grootste uitdaging voor de fundamentele fysica sinds de kwantum- en relativistische revoluties van een eeuw geleden. De successen van deze polarisatie-experimenten geven vertrouwen in ons vermogen om fijne details van de gepolariseerde kosmische achtergrond te onderzoeken, die uiteindelijk licht zullen werpen op de aard van deze donkere energie. ”
"Het succes van deze polarisatie-experimenten heeft een nieuw venster geopend voor het verkennen van het universum, waardoor we de eerste momenten van het universum kunnen onderzoeken door waarnemingen van zwaartekrachtgolven uit het tijdperk van inflatie", zegt Carlstrom.
De analyse van de CBI-gegevens wordt uitgevoerd in samenwerking met groepen van de National Radio Astronomy Observatory (NRAO) en van het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
"Dit is echt een opwindende tijd in kosmologisch onderzoek, met een opmerkelijke convergentie van theorie en observatie, een universum vol mysteries zoals donkere materie en donkere energie, en een fantastische reeks nieuwe technologie - er is hier een enorm potentieel voor fundamentele ontdekkingen" zegt Steve Myers van de NRAO, een co-auteur en een belangrijk lid van het CBI-team vanaf het begin.
Richard Bond, directeur van CITA en co-auteur van het artikel: “Als theoreticus begin jaren tachtig, toen we voor het eerst aantoonden dat de omvang van de polarisatie van de kosmische microgolfachtergrond waarschijnlijk een factor honderd lager zou zijn in de kleine temperatuurschommelingen die zelf een heroïsche poging waren om te ontdekken, leken het wensdenken dat zelfs in een verre toekomst zulke kleine signalen zouden worden onthuld. Met deze polarisatiedetecties is het wenselijk werkelijkheid geworden dankzij opmerkelijke technologische vooruitgang in experimenten zoals CBI. Het was ons een voorrecht bij CITA om als leden van het CBI-team volledig betrokken te zijn bij het onthullen van deze signalen en het interpreteren van hun kosmologische betekenis voor wat naar voren is gekomen als het standaardmodel van de vorming en evolutie van kosmische structuren. ”
De volgende stap voor Readhead en zijn CBI-team zal zijn om deze polarisatieobservaties aanzienlijk te verfijnen door meer gegevens te nemen en om te testen of de gepolariseerde emissie niet precies in overeenstemming is met de totale intensiteit met als doel enkele aanwijzingen voor de natuur te vinden van de donkere materie en donkere energie.
De CBI is een microgolf-telescooparray met 13 afzonderlijke antennes, elk ongeveer drie voet in diameter en werkend in 10 frequentiekanalen, in overleg opgesteld zodat het hele instrument als een set van 780 interferometers fungeert. De CBI bevindt zich op Llano de Chajnantor, een hoog plateau in Chili op 16.800 voet, waarmee het verreweg het meest geavanceerde wetenschappelijke instrument is dat ooit op zulke grote hoogten is gebruikt. De telescoop is zelfs zo hoog dat leden van het wetenschappelijke team elk zuurstof in flessen moeten dragen om het werk te doen.
De upgrade van de CBI naar polarisatiecapaciteit werd ondersteund door een genereuze subsidie van het Kavli Operating Institute en het project is ook de dankbare ontvanger van voortdurende steun van Barbara en Stanley Rawn Jr. De CBI wordt ook ondersteund door de National Science Foundation, de California Institute of Technology en het Canadian Institute for Advanced Research, en heeft ook genereuze steun gekregen van Maxine en Ronald Linde, Cecil en Sally Drinkward, en het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de Universiteit van Chicago.
Naast de hierboven genoemde wetenschappers, is het Science Express-artikel van vandaag mede-auteur van C. Contaldi en J. L. Sievers van CITA, J.K. Cartwright en S. Padin, beiden van Caltech en de University of Chicago; B. S. Mason en M. Pospieszalski van de NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus en J. May, allemaal aan de Universiteit van Chili; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson en M. Shepherd of Caltech; W. Holzapfel van UC Berkeley; E. M. Leitch en C. Pryke van de Universiteit van Chicago; D. Pogosyan van de Universiteit van Toronto en de Universiteit van Alberta; en R. Bustos, R. Reeves en S. Torres van de Universiteit van Concepci? n, Chili.
Oorspronkelijke bron: Caltech News Release
