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    Dati da posizioni antipodali:primo utilizzo della polarizzazione CMB per rilevare la lente gravitazionale da ammassi di galassie

    La telecamera del South Pole Telescope misura minuscole fluttuazioni nella polarizzazione della luce cosmica di fondo nel cielo australe. Credito:Jason Gallicchio, Università di Chicago

    Galassie. Amalgami di stelle, gas interstellare, polvere, detriti stellari e materia oscura. Valzerano attraverso il freddo universo, gravità alimentando il loro abbraccio. Occasionalmente, le galassie si trasformano in enormi ammassi di galassie con masse in media 100 trilioni di volte quella del nostro sole.

    Ma non è sempre stato così.

    Nell'universo infantile, le temperature erano così alte che elettroni e protoni erano troppo caldi per formare atomi. Tutto era caldo, gas ionizzato, non diversamente dalla superficie del sole.

    Nei prossimi 400, 000 anni, l'universo si espanse e si raffreddò fino a circa 3, 000 gradi Celsius, circa la temperatura di un forno industriale. A queste temperature, elettroni e protoni si combinano in atomi di idrogeno e rilasciano fotoni nel processo. questa luce, chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde, da allora viaggia nello spazio, una filigrana di spazio e tempo.

    Ora, gli scienziati hanno trovato nuovi modi per estrarre informazioni da questa inesauribile macchina del tempo.

    Cosmologia vincolante con la polarizzazione CMB

    In uno studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , Lo scienziato del Fermilab e dell'Università di Chicago Brad Benson e colleghi usano la polarizzazione, o orientamento, del fondo cosmico a microonde per calcolare le masse di enormi ammassi di galassie utilizzando un nuovo stimatore matematico. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno misurato queste masse utilizzando la polarizzazione del CMB e il nuovo metodo di stima.

    "Fare questa stima è importante perché la maggior parte della massa degli ammassi di galassie non è nemmeno visibile:è materia oscura, che non emette luce ma interagisce per gravità e costituisce circa l'85% della materia del nostro universo, " ha detto Benson.

    Il lavoro degli scienziati potrebbe eventualmente far luce sulla materia oscura, energia oscura e parametri cosmologici che rivelano di più sulla formazione delle strutture nell'universo.

    Gli scienziati cercano increspature su piccola scala attorno agli ammassi di galassie, un effetto chiamato lente gravitazionale. L'obiettivo è simile all'effetto che vedresti guardando attraverso la base di un bicchiere da vino trasparente dietro il quale si accende una candela:un anello di luce. Credito:Sandbox Studio

    Destinazione:Antartide

    Alla stazione del Polo Sud di Amundsen-Scott, personale di supporto e scienziati, soprannominato "bicchieri, " Lavorare 24 ore su 24 per gestire il South Pole Telescope. Non è un lavoro facile. La Amundsen-Scott South Pole Station si trova nel punto più meridionale della Terra, dove la temperatura media è di meno 47 gradi Celsius e il sole sorge e tramonta solo una volta all'anno. Ma il telescopio del polo sud, un telescopio di 10 metri incaricato di osservare il fondo cosmico a microonde, noto come CMB, è più che in grado di raggiungere i suoi obiettivi scientifici in questo ambiente difficile.

    La fotocamera del South Pole Telescope misura minuscole fluttuazioni nella polarizzazione della luce CMB nel cielo meridionale dell'ordine di 1 parte su 100 milioni in media, più sensibile di qualsiasi altro esperimento fino ad oggi.

    "Queste minuscole variazioni possono essere influenzate da oggetti di grandi dimensioni come ammassi di galassie, che agiscono come lenti che creano distorsioni distintive nel nostro segnale, " ha detto Benson.

    Il segnale che Benson e altri scienziati stavano cercando era un'increspatura su piccola scala attorno agli ammassi di galassie, un effetto chiamato lente gravitazionale. Puoi vedere tu stesso un effetto simile guardando attraverso la base di un bicchiere da vino trasparente dietro il quale è accesa una candela.

    "Se guardi attraverso il fondo di un bicchiere di vino una fiamma, puoi vedere un anello di luce. È come l'effetto che vedremmo da una forte lente gravitazionale, " Benson ha detto. "Stiamo vedendo un effetto simile qui, tranne che la distorsione è molto più debole e la luce CMB è distribuita su un'area molto più ampia del cielo."

    C'era un problema, però. Gli scienziati hanno stimato che avrebbero bisogno di guardare circa 17, 000 ammassi di galassie per misurare l'effetto di lente gravitazionale dal CMB e stimare le masse degli ammassi di galassie con certezza, anche usando il loro nuovo stimatore matematico. Mentre il South Pole Telescope ha fornito misurazioni della polarizzazione della CMB più profonde e più sensibili che mai, la sua libreria di posizioni galattiche conteneva solo circa 1, 000 ammassi di galassie.

    Destinazione:Cile

    Per identificare più posizioni degli ammassi di galassie da cui esaminare la lente gravitazionale della luce CMB attorno agli ammassi di galassie, gli scienziati avevano bisogno di viaggiare all'incirca 6, 000 chilometri a nord del Polo Sud fino alla regione di Atacama in Cile, sede dell'Osservatorio Interamericano Cerro Tololo.

    La Dark Energy Camera cattura la luce e le posizioni del 17, 000 ammassi di galassie gli scienziati avevano bisogno di osservare la lente gravitazionale della luce cosmica di fondo a microonde da parte degli ammassi di galassie. Credito:Reidar Hahn, Fermilab

    La fotocamera per l'energia oscura, montato 2, 200 metri sul livello del mare sul telescopio Blanco di 4 metri al Cerro Tololo, è una delle più grandi fotocamere digitali al mondo. I suoi 520 megapixel vedono la luce da oggetti che hanno origine a miliardi di anni luce di distanza e li catturano con una qualità senza precedenti. Più importante, la fotocamera cattura la luce e le posizioni del 17, 000 ammassi di galassie gli scienziati avevano bisogno di osservare la lente gravitazionale della luce CMB da parte degli ammassi di galassie.

    Gli scienziati hanno identificato le posizioni di questi ammassi utilizzando tre anni di dati del Dark Energy Survey condotto dal Fermilab e quindi hanno inserito queste posizioni in un programma per computer che ha cercato prove di lenti gravitazionali da parte degli ammassi nella polarizzazione della CMB. Una volta trovate le prove, potrebbero calcolare da soli le masse degli ammassi di galassie usando il loro nuovo stimatore matematico.

    Destinazione:luoghi incontaminati

    Nello studio attuale, gli scienziati hanno scoperto che la massa media degli ammassi di galassie è di circa 100 trilioni di volte la massa del nostro sole, una stima che concorda con altri metodi. Una frazione sostanziale di questa massa è sotto forma di materia oscura.

    Per sondare più a fondo, gli scienziati hanno in programma di eseguire esperimenti simili utilizzando una fotocamera del telescopio del Polo Sud aggiornata, SPT-3G, installato nel 2017, e un esperimento CMB di nuova generazione, CMB-S4, che offrirà ulteriori miglioramenti nella sensibilità e più ammassi di galassie da esaminare.

    CMB-S4 sarà composto da telescopi dedicati dotati di camere superconduttrici altamente sensibili che operano al Polo Sud, l'altopiano cileno di Atacama e forse siti dell'emisfero settentrionale, consentendo ai ricercatori di limitare i parametri di inflazione, l'energia oscura e il numero e le masse dei neutrini, e persino testare la relatività generale su larga scala.

    Antonio Bordino, un talentuoso narratore e food writer, una volta chiamato l'Antartide "l'ultimo luogo incontaminato sulla Terra ... dove le persone si riuniscono per esplorare l'arte della scienza pura, cercando qualcosa chiamato fatti."

    Gli scienziati vanno ben oltre l'Antartide in un altro luogo incontaminato, i confini più remoti del nostro universo, affrontare i parametri cosmologici fondamentali e il comportamento della struttura nel nostro universo.


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