Nowe dane z SPT zapowiadają przełom w pomiarach pierwszego światła Wszechświata
Analiza mikrofalowego promieniowania tła pogłębia nasze zrozumienie Wszechświata.
 |
| Teleskop Bieguna Południowego. Źródło: Kevin Zagorski |
Najwcześniejsze światło we Wszechświecie podróżowało przez przestrzeń kosmiczną tuż po Wielkim Wybuchu. Znane jako mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), jest niezauważalne dla ludzkiego oka. Jeśli jednak naukowcom uda się je uchwycić za pomocą jednych z najczulszych detektorów, jakie kiedykolwiek stworzono, może ono powiedzieć nam o tym, jak nasz Wszechświat formował się i ewoluował w czasie.
Naukowcy opublikowali wyniki bezprecedensowo czułych pomiarów CMB z dwóch lat obserwacji przy użyciu zmodernizowanej kamery na South Pole Telescope (SPT). Teleskop został zaprojektowany specjalnie do mapowania bardzo słabego światła z CMB.
Wyniki, opublikowane 25 czerwca, są imponujące – precyzja drobnych szczegółów mikrofalowego promieniowania tła przewyższa wszystkie wcześniejsze pomiary, nawet te wykonane z kosmosu. W połączeniu z danymi z innych naziemnych teleskopów, oferuje to nowy punkt odniesienia do ograniczenia możliwych odpowiedzi na główne pytania dotyczące Wszechświata.
To przełomowy moment dla kosmologii mikrofalowego promieniowania tła – powiedział Tom Crawford, zastępca dyrektora SPT i profesor na Uniwersytecie w Chicago. To początek nowej ery, w której nasze zrozumienie Wszechświata będzie w dużej mierze rozwijane przez naziemne eksperymenty mikrofalowego promieniowania tła.
Nowe pomiary stanowią dodatkową weryfikację naszego podstawowego modelu Wszechświata. Wraz z pojawianiem się kolejnych danych możliwe będzie precyzyjniejsze przeprowadzenie kluczowych testów dotyczących najważniejszych, wciąż nierozstrzygniętych zagadnień kosmologii, takich jak natura ciemnej energii oraz tempo ekspansji Wszechświata.
Kosmiczne ograniczenia
Mikrofalowe promieniowanie tła, czasami określane jako poświata po Wielkim Wybuchu, sięga ponad 13 miliardów lat wstecz, do okresu tuż po uformowaniu się naszego Wszechświata. To sprawia, że jest to niezwykle bogate źródło informacji – o ile uda się je wychwycić.
Światło to jest niezwykle słabe, a jego zmiany są jeszcze słabsze. Aby w ogóle mieć szansę na jego uchwycenie, potrzebne jest bardzo czyste niebo i idealnie suche warunki obserwacyjne, które można znaleźć na Antarktydzie.
Teleskop Bieguna Południowego mapuje to światło od 2007 roku. Na przestrzeni lat w teleskopie zainstalowano kilka kamer, ale najnowsza, znana jako SPT-3G, ma o rząd wielkości więcej detektorów niż poprzednie wersje. Dane w najnowszym wyniku zostały zebrane w 2019 i 2020 roku i reprezentują pierwsze dwa lata obserwacji SPT-3G z pełną mocą. Obejmują one około 1/25 nieba, mapując je bardziej szczegółowo niż jakikolwiek inny pomiar tego rodzaju.
Jednym z głównych zastosowań tych danych jest nałożenie ograniczeń na wiele możliwych odpowiedzi na nasze pytania dotyczące Wszechświata, takie jak sposób jego powstawania i podstawowe prawa rządzące jego ewolucją. Dane dostarczane przez mikrofalowe promieniowanie tła pomagają w dopasowaniu wszystkiego do spójnego obrazu.
Aktualnie powszechnie akceptowanym modelem wyjaśniającym ewolucję kosmosu jest ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter). Najnowsze badania wskazują jednak na poważne wątpliwości co do kompletności tego modelu. Trwająca debata dotyczy także tempa ekspansji Wszechświata (tzw. napięcie Hubble’a), które – gdyby zostało potwierdzone – miałoby fundamentalne konsekwencje dla kosmologii. Mikrofalowe promieniowanie tła pełni w tych analizach rolę kluczowego narzędzia weryfikacyjnego.
Dane pochodzące z Teleskopu Bieguna Południowego znacząco precyzują ten obraz.
Grupa stwierdziła, że wyniki te niezależnie potwierdzają istnienie napięcia Hubble’a z bardzo wysoką istotnością statystyczną, jednocześnie pozostając zgodne z innymi ograniczeniami wynikającymi z mikrofalowego promieniowania tła, w tym z danymi uzyskanymi podczas misji Planck oraz obserwacji Teleskopu Kosmologicznego Atacama w Chile.
Podkreślają one także nową anomalię w naszym kosmologicznym obrazie – rozbieżność pomiędzy ograniczeniami wyprowadzonymi z mikrofalowego promieniowania tła a tymi wynikającymi z szeroko zakrojonych badań ruchów galaktyk, zwłaszcza z najnowszych wyników uzyskanych za pomocą instrumentu Dark Energy Spectroscopic Instrument.
W miarę udostępniania kolejnych danych z SPT-3G online, instrument ten będzie coraz skuteczniej służył jako niezależne narzędzie do testowania hipotez.
Jeśli faktycznie występuje odchylenie od modelu standardowego, nadchodzące zestawy danych pozwolą nam dostrzec je znacznie wyraźniej – powiedział Quan. Jeżeli jest to autentyczny sygnał, zostanie on wzmocniony.
Złoty standard od podstaw
Wcześniej złotym standardem dla pomiarów mikrofalowego promieniowania tła były dane z satelity Planck, wykonane ponad dekadę temu. Teraz nowe dane z SPT, w połączeniu z danymi z ACT, wyznaczają nowy standard – moment, na który czekało wielu naukowców.
Teleskopy kosmiczne, takie jak Planck, mają tę zaletę, że widzą wyraźniej, ponieważ ziemska atmosfera nie zakłóca widoku.
Jednak obsługa teleskopu z Ziemi jest znacznie łatwiejsza. Stworzenie złożonego instrumentu działającego nawet w tak surowym miejscu jak Antarktyda jest znacznie łatwiejsze niż zaprojektowanie czegoś, co musi przetrwać start rakiety i warunki panujące w kosmosie. Jeśli coś się zepsuje w teleskopie naziemnym, możesz podejść i to naprawić – powiedział Brad Benson, profesor nadzwyczajny astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie Chicago oraz dyrektor operacyjny Teleskopu Bieguna Południowego. Nie można tego zrobić w kosmosie.
Postępy w dziedzinie detektorów i konstrukcji w końcu pozwalają naziemnym teleskopom dorównać lub konkurować z danymi Plancka.
Przez lata Planck skutecznie definiował nasz model kosmologiczny – powiedział Etienne Camphuis, współautor artykułu. Jednak w nauce ważne jest potwierdzenie pomiarów. Dzięki SPT I ACT mamy teraz prawie w pełni niezależny zestaw pomiarów o podobnej mocy ograniczającej.
Nowe wyniki stanowią mniej niż ¼ danych uzyskanych za pomocą SPT-3G.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
