Proprio come un bicchiere di vino distorce un'immagine che mostra le fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde in questa illustrazione fotografica, oggetti di grandi dimensioni come ammassi di galassie e galassie possono allo stesso modo distorcere questa luce per produrre effetti di lente. (Credito: Emmanuel Schaan e Simone Ferraro / Berkeley Lab)

Mappatura della materia oscura e dell'energia oscura con un filtro cosmico

Lo sfondo cosmico a microonde - la luce rimasta immediatamente dopo il big bang - potrebbe essere usato per mappare la struttura dell'universo, svelando così i segreti della materia oscura e dell'energia oscura.

Lo schema della prima luce conosciuta nel nostro universo - lo sfondo cosmico a microonde (CMB) - contiene molti indizi importanti sullo sviluppo e la distribuzione di strutture su larga scala come galassie e ammassi di galassie.

Le distorsioni nel CMB - emesse 380.000 anni dopo il big bang - causate da un fenomeno noto come lensing, possono rivelare la struttura fine dell'universo. Ciò significa anche che può potenzialmente dirci cose sul misterioso, invisibile "universo oscuro" - energia oscura, che costituisce circa il 68% dell'universo e spiega la sua espansione accelerata, e materia oscura - che rappresenta circa il 27% del universo.

L'universo dal fondo di una piscina

Immagina l'Universo come uno schema a griglia stampato sul fondo di una piscina. Gli effetti gravitazionali della materia e dell'energia vengono aggiunti in modo molto simile all'acqua che riempie la piscina. Vediamo il fondo attraverso l'acqua - allungato e schiacciato dai disturbi della superficie.

Gli effetti gravitazionali di oggetti di grandi dimensioni come galassie e ammassi di galassie piegano la luce CMB in diversi modi. Questi effetti di lente possono essere sottili - lenti deboli - per galassie distanti e piccole, e i programmi per computer possono identificarle perché interrompono il normale schema CMB.

R.Lambourne (2012)

Esistono tuttavia alcuni problemi noti relativi all'accuratezza delle misurazioni del cristallino, in particolare con le misurazioni della temperatura del CMB e gli effetti del cristallino associati.

Mentre il lensing può essere un potente strumento per studiare l'universo invisibile e potrebbe anche potenzialmente aiutarci a risolvere le proprietà delle particelle spettrali subatomiche come i neutrini, l'universo è un luogo intrinsecamente disordinato.

Il gas e la polvere che turbinano in altre galassie, tra gli altri fattori, possono oscurare la nostra visione e portare a letture errate dell'obiettivo CMB.

Un insieme di immagini di sfondo cosmiche a microonde senza effetti di lente (riga superiore) e con effetti di lente a sfondo cosmico esagerato di microonde (riga inferiore). (Wayne Hu e Takemi Okamoto / Università di Chicago)

Sebbene esistano alcuni strumenti di filtraggio che aiutano i ricercatori a limitare o mascherare alcuni di questi effetti, questi ostacoli noti continuano a rappresentare un grave problema nei numerosi studi che si basano su misurazioni basate sulla temperatura.

Gli effetti di questa interferenza con gli studi CMB basati sulla temperatura possono portare a misurazioni errate del cristallino, afferma Emmanuel Schaan, ricercatore post-dottorato e collega post-dottorato di Owen Chamberlain nella divisione di fisica presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento di Energia (Berkeley Lab).

Dice: “Puoi sbagliarti e non saperlo. I metodi esistenti non funzionano perfettamente, sono davvero limitanti ".

Per risolvere questo problema, Schaan ha collaborato con Simone Ferraro, un Divisional Fellow della divisione Physics di Berkeley Lab, per sviluppare un modo per migliorare la chiarezza e l'accuratezza delle misurazioni del cristallino CMB, tenendo conto separatamente dei diversi tipi di effetti del cristallino.

Schaan aggiunge: “Il lensing può ingrandire o smagnificare le cose. Li distorce anche lungo un certo asse in modo che siano allungati in una direzione. "

I ricercatori lo paragonano a guardare la superficie di un tavolo attraverso lo stelo di un bicchiere di vino.

Ciò che il team ha scoperto è che una certa firma dell'obiettivo - il taglio - che causa questo allungamento in una direzione, sembra in gran parte immune agli effetti di "rumore" in primo piano che altrimenti interferirebbero con i dati dell'obiettivo CMB.

Queste immagini mostrano diversi tipi di emissioni che possono interferire con le misurazioni dell'obiettivo CMB, simulate da Neelima Sehgal e collaboratori. Da sinistra a destra: lo sfondo cosmico a infrarossi, composto da polvere intergalattica; sorgenti di punti radio o emissione radio da altre galassie; l'effetto cinematico Sunyaev-Zel’dovich, un prodotto del gas in altre galassie; e l'effetto termico Sunyaev-Zel’dovich, che si riferisce anche al gas in altre galassie. (Emmanuel Schaan e Simone Ferraro / Berkeley Lab)

L'effetto lente noto come ingrandimento, nel frattempo, è soggetto a errori introdotti dal rumore di primo piano. Il loro studio, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, rileva una "drastica riduzione" di questo margine di errore quando si concentra esclusivamente sugli effetti di taglio.

Le fonti del cristallino, che sono grandi oggetti che si frappongono tra noi e la luce CMB, sono in genere gruppi e ammassi di galassie che hanno un profilo approssimativamente sferico nelle mappe della temperatura, nelle note di Ferraro e l'ultimo studio ha scoperto che l'emissione di varie forme di la luce proveniente da questi oggetti "in primo piano" sembra imitare solo gli effetti di ingrandimento del cristallino ma non gli effetti di taglio.

Ferrano afferma: "Abbiamo detto:" Facciamo affidamento solo sulla cesoia e saremo immuni agli effetti di primo piano ".

“Quando hai molte di queste galassie che sono per lo più sferiche e le fai in media, contaminano solo la parte di ingrandimento della misurazione. Per il taglio, tutti gli errori sono praticamente spariti. "

Continua: “Riduce il rumore, permettendoci di ottenere mappe migliori. E siamo più certi che queste mappe siano corrette. Anche quando le misurazioni coinvolgono galassie molto distanti come oggetti con lenti in primo piano. "

Vantaggi per una serie di esperimenti

Lo studio rileva che il nuovo metodo potrebbe beneficiare di una serie di esperimenti di rilevamento del cielo - inclusi gli esperimenti POLARBEAR-2 e Simons Array, che hanno partecipato ai partecipanti di Berkeley Lab e UC Berkeley; il progetto Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); e il South Pole Telescope - fotocamera 3G (SPT-3G). Potrebbe anche aiutare l'Osservatorio di Simons e il proposto esperimento multilaterale di prossima generazione CMB noto come CMB-S4 - Gli scienziati del Berkeley Lab sono coinvolti nella pianificazione di entrambi questi sforzi.

Il metodo potrebbe anche migliorare i dati acquisiti da future indagini galattiche come il progetto DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) guidato da Berkeley Lab - attualmente in costruzione vicino a Tucson, in Arizona, e il progetto Large Synoptic Survey Telescope (LSST) in costruzione in Cile, attraverso analisi congiunte dei dati di questi rilievi del cielo e dei dati di lente CMB.

Set di dati sempre più grandi dagli esperimenti di astrofisica hanno portato a un maggiore coordinamento nel confronto dei dati tra gli esperimenti per fornire risultati più significativi. Come sottolinea Ferrano: "In questi giorni, le sinergie tra i sondaggi CMB e galassia sono un grosso problema".

Il centro di supercalcolo leader mondiale per la scienza aperta consente ai ricercatori di eseguire simulazioni di computer quantistici (Berkeley)

In questo studio, i ricercatori hanno fatto affidamento su dati CMB a cielo pieno simulati, utilizzando le risorse del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) di Berkeley Lab per testare il loro metodo su ciascuna delle quattro diverse fonti di rumore in primo piano. Ciò include effetti a infrarossi, radiofrequenza, termica ed interazione elettronica che possono contaminare le misurazioni del cristallino CMB.

Lo studio rileva che il rumore di fondo a infrarossi cosmici, oltre al rumore dell'interazione dei fotoni CMB con elettroni ad alta energia, sono state le fonti più problematiche da affrontare utilizzando gli strumenti di filtraggio standard nelle misurazioni CMB. Alcuni esperimenti CMB esistenti e futuri cercano di ridurre questi effetti prendendo misurazioni precise della polarizzazione, o orientamento, della firma della luce CMB piuttosto che della sua temperatura.

Schaan aggiunge: "Non avremmo potuto realizzare questo progetto senza un cluster di elaborazione come NERSC".

NERSC si è anche rivelato utile nel servire altre simulazioni dell'universo per aiutare a preparare esperimenti imminenti come DESI.

Il metodo sviluppato da Schaan e Ferraro è già in fase di implementazione nell'analisi dei dati degli esperimenti attuali. Una possibile applicazione è quella di sviluppare visualizzazioni più dettagliate di filamenti e nodi di materia oscura che sembrano connettere la materia nell'universo attraverso una complessa e mutevole rete cosmica.

I ricercatori hanno riportato un'accoglienza positiva al loro metodo appena introdotto.

Ferrano conclude: “Questo è stato un problema eccezionale a cui molte persone avevano pensato.

"Siamo felici di trovare soluzioni eleganti".

Ricerca originale: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.181301