Το Swirls in the Afterglow of the Big Bang θα μπορούσε να αποτελέσει τη σκηνή για τη μεγάλη ανακάλυψη

Οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει στροβιλιζόμενα μοτίβα στην ακτινοβολία που παραμένει από τη Μεγάλη Έκρηξη, το λεγόμενο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB). Η ίδια η παρατήρηση δεν είναι συγκλονιστική, καθώς οι ερευνητές γνωρίζουν ότι αυτοί οι συγκεκριμένοι στροβιλισμοί ή "Β-τροποί" προήλθαν από τη συμβατική αστροφυσική, αλλά το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι οι επιστήμονες πλησιάζουν σε ένα πολύ μεγαλύτερο έπαθλο:οι τρόποι Β που δημιουργούνται από τα κύματα βαρύτητας που κυμάτιζε το νηπιακό σύμπαν. Αυτή η παρατήρηση θα τους έδινε μια άμεση ματιά στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του σύμπαντος και πιθανώς θα έριχνε φως στο πώς ξεκίνησαν όλα.

«Το βλέπω ως ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός», λέει ο Τσαρλς Μπένετ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς στη Βαλτιμόρη του Μέριλαντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. "Το εκλαμβάνω ως ελπιδοφόρο σημάδι ότι μπορούμε να φτάσουμε στο σήμα του βαρυτικού κύματος."

Από τότε που ανακαλύφθηκε το 1965, το CMB έχει αποδειχθεί μια γραμματοσειρά πληροφοριών για τους κοσμολόγους. Το 1992, ο ανιχνευτής Cosmic Background Explorer (COBE) της NASA μέτρησε το φάσμα της ακτινοβολίας, η οποία έχει ψυχθεί καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, και διαπίστωσε ότι είχε τα χαρακτηριστικά που θα περίμενε κανείς αν το σύμπαν είχε γεννηθεί σε μία μόνο έκρηξη. Το COBE εντόπισε επίσης εν μέρει 100.000 διακυμάνσεις στη θερμοκρασία του CMB στον ουρανό, κάτι που θα αποκάλυπτε πολλά για τον κόσμο.

Μέχρι το 2003, το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) της NASA και άλλα πειράματα είχαν μελετήσει στατιστικά αυτές τις παραλλαγές και βρήκαν ότι ταιριάζουν σε ένα μοντέλο στο οποίο το σύμπαν αποτελείται από 5% συνηθισμένη ύλη, 24% μυστηριώδη σκοτεινή ύλη της οποίας η βαρύτητα δεσμεύει τους γαλαξίες και 71 % περίεργη σκοτεινή ενέργεια που εκτείνεται στο διάστημα. Αυτό το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο επιβεβαιώθηκε σθεναρά νωρίτερα φέτος από το διαστημικό ανιχνευτή Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA).

Αλλά το CMB μπορεί να έχει περισσότερες πληροφορίες στο κατάστημα. Σύμφωνα με την τυπική κοσμολογία, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας αντανακλούν μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις στο νεογέννητο σύμπαν. Αυτές οι διακυμάνσεις εκτοξεύτηκαν σε τεράστιο μέγεθος στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου, όταν το σύμπαν διπλασιάστηκε και διπλασιάστηκε το μέγεθός του 60 φορές σε μια ταχύτερη από το φως έξαρση ανάπτυξης γνωστή ως πληθωρισμός. Τραβηγμένη από τη βαρύτητα, η σκοτεινή και συνηθισμένη ύλη στη συνέχεια εγκαταστάθηκε στις διακυμάνσεις, σπέρνοντας γαλαξίες. Ο πληθωρισμός μπορεί επίσης να έχει αφήσει το αποτύπωμά του στο CMB.

Τα μικροκύματα στο CMB μπορούν να πολωθούν όπως το φως που ανακλάται από την επιφάνεια μιας λίμνης. Σε ένα κομμάτι του ουρανού, το μοτίβο τυχαίας πόλωσης μπορεί να διαχωριστεί σε δύο επάλληλα στοιχεία:Β-λειτουργίες, στις οποίες η πόλωση σχηματίζει δεξιόστροφους ή αριστερόστροφους στροβίλους και σε λειτουργίες E, στις οποίες δεν συμβαίνει. Ενώ η συνένωση της ύλης στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να παράγει μόνο E-modes, τα κύματα βαρύτητας που κυματίζουν κατά τη διάρκεια του φουσκώματος θα πρέπει να παράγουν B-modes. Η ένταση αυτών των «πρωταρχικών» τρόπων Β θα πρέπει να αποκαλύψει την ενεργειακή πυκνότητα του σύμπαντος κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού και να εξηγήσει πώς συνέβη.

Αλλά πρώτα οι επιστήμονες πρέπει να ανιχνεύσουν B-modes οποιουδήποτε είδους. Αυτό έκανε η ομάδα με το τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου (SPT), ένα πιάτο 10 μέτρων στην Ανταρκτική. Οι τρόποι B μπορούν να προέρχονται από ακτινοβολία "πρώτου πλάνου" από το εσωτερικό του γαλαξία μας ή όταν η βαρύτητα από τον τεράστιο ιστό της ύλης που γεμίζει το σύμπαν παραμορφώνει την εικόνα των E-modes στο CMB. Αυτή η παραμόρφωση ονομάζεται φακός βαρύτητας και το SPT έχει παρατηρήσει λειτουργίες Β που προκαλούνται από τους φακούς, λέει ο Duncan Hanson, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο McGill στο Μόντρεαλ του Καναδά και κύριος συγγραφέας στην εργασία που περιγράφει την εργασία, η οποία δημοσιεύτηκε στις 22 Ιουλίου στο Διακομιστής προεκτύπωσης arXiv.

Ο Hanson και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με μια εξωτερική είσοδο, μια μέτρηση της κοσμικής υπέρυθρης ακτινοβολίας από το διαστημικό τηλεσκόπιο Herschel της ESA για να εκτιμήσουν την κατανομή της μάζας στο σύμπαν. Στη συνέχεια υπολόγισαν την επίδρασή του στον χάρτη των E-modes του ίδιου του SPT σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του ουρανού για να προβλέψουν τις προκαλούμενες από τον φακό λειτουργίες B σε κλίμακες που εκτείνονται λιγότερο από μια μοίρα. Χρησιμοποιώντας αυτό το πρότυπο, μπόρεσαν να ξεπεράσουν τις λειτουργίες B στα ίδια τα δεδομένα. Αυτό το σήμα είναι μόνο το 1/100ο τόσο ισχυρό όσο οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Θα πρέπει να είναι δυνατός ο εντοπισμός των λειτουργιών Β του φακού χρησιμοποιώντας μόνο τα δεδομένα CMB, λέει ο Hanson, αλλά "προσπαθούσαμε να είμαστε πολύ συντηρητικοί για αυτήν την πρώτη ανίχνευση, επομένως επιλέξαμε την ανάλυση με τη μικρότερη ευαισθησία στα όργανα εφέ."

Η ίδια η παρατήρηση θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμη, λέει ο Ντέιβιντ Σπέργκελ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Ο φακός των εικόνων μακρινών γαλαξιών ή των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στο CMB παρέχει ήδη έναν ανιχνευτή κατανομής της ύλης στο σύμπαν. Αλλά ο φακός της πόλωσης του CMB θα πρέπει να είναι ένας ακόμη πιο καθαρός ανιχνευτής αυτής της κατανομής, λέει.

Το αποτέλεσμα υποδηλώνει επίσης ότι οι επιστήμονες μπορεί να πλησιάζουν και τους τρόπους Β από τα κύματα βαρύτητας. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό θα ήταν να αφαιρέσετε το σήμα που προκαλείται από τον φακό για να δείτε αν έχει περισσέψει σήμα. Μια πιο πολλά υποσχόμενη λύση μπορεί να είναι η αναζήτηση στροβιλισμών σε μεγαλύτερες κλίμακες, στις οποίες το σήμα του φακού θα πρέπει να είναι ασθενέστερο, λέει ο Σπέργκελ. Μισή ντουζίνα πειράματα με βάση το έδαφος και το μπαλόνι αγωνίζονται για να το κάνουν αυτό, και το νέο αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι μπορεί να νικήσουν τον Planck σε αυτόν τον στόχο. «Γνωρίζω ότι μιλώντας με άτομα της ομάδας Planck ότι πιέζουν πολύ σκληρά σε αυτό», λέει ο Σπέργκελ. "Ακούνε βήματα."

Ο Planck δεν έχει σχεδιαστεί για να κυνηγάει τα B-modes, επομένως μπορεί να είναι πολύ μακριά να γίνει αυτή η ανακάλυψη ούτως ή άλλως, λέει ο Bennett. Επιπλέον, σημειώνει, η θεωρία δεν προβλέπει πόσο ισχυροί θα πρέπει να είναι οι αρχέγονοι τρόποι λειτουργίας B:«Πραγματικά δεν γνωρίζουμε πόσο μικρό είναι το σήμα του πληθωρισμού, επομένως μπορεί να μην μπορούμε να φτάσουμε εκεί από εδώ». Ωστόσο, λέει ο Bennett, το σήμα θα μπορούσε να είναι πολύ ισχυρότερο από το αναμενόμενο—στην περίπτωση αυτή θα μπορούσε να εμφανιστεί σε μερικούς μήνες όταν ο Planck θα δημοσιεύσει περισσότερα δεδομένα.