Per più di cinque anni, gli scienziati del South Pole Telescope in Antartide hanno osservato il cielo con una fotocamera aggiornata. Lo sguardo esteso verso il cosmo sta raccogliendo la luce residua dalla formazione iniziale dell'universo. Ora i ricercatori hanno analizzato una serie iniziale di dati, pubblicando i dettagli sulla rivista Physical Review D . I risultati di questo set di dati limitato suggeriscono informazioni future ancora più potenti sulla natura del nostro universo.
Il telescopio della stazione Amundsen-Scott South Pole, gestito dalla National Science Foundation, ha ricevuto nel 2017 una nuova fotocamera denominata SPT-3G. Dotata di 16.000 rilevatori, 10 volte di più rispetto al suo predecessore, la SPT-3G è centrale alla ricerca multi-istituzionale condotta in parte dall’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). L’obiettivo è misurare la debole luce conosciuta come fondo cosmico a microonde (CMB). La CMB è il bagliore residuo del Big Bang, quando l'universo esplose da un unico punto di energia quasi 14 miliardi di anni fa.
"La CMB è una mappa del tesoro per i cosmologi", ha affermato Zhaodi Pan, autore principale dell'articolo e ricercatore di Maria Goeppert Mayer ad Argonne. "Le sue minuscole variazioni di temperatura e polarizzazione forniscono una finestra unica sull'infanzia dell'universo."
L'articolo in Physical Review D offre le prime misurazioni della lente gravitazionale CMB dall'SPT-3G. La lente gravitazionale si verifica quando la vasta rete di materia dell'universo distorce la CMB mentre viaggia attraverso lo spazio. Se dovessi posizionare la base curva di un bicchiere da vino sulla pagina di un libro, il bicchiere distorcerebbe la tua visione delle parole dietro di esso. Allo stesso modo, la materia nella linea di vista del telescopio forma una lente che piega la luce della CMB e la nostra visione di essa. Albert Einstein ha descritto questa deformazione nel tessuto dello spazio-tempo nella sua teoria della relatività generale.
Le misurazioni di quella distorsione contengono indizi sull’universo primordiale e su misteri come la materia oscura, una componente invisibile del cosmo. "La materia oscura è difficile da rilevare, perché non interagisce con la luce o altre forme di radiazione elettromagnetica. Attualmente possiamo osservarla solo attraverso le interazioni gravitazionali", ha detto Pan.
Gli scienziati hanno studiato la CMB fin da quando è stata scoperta negli anni ’60, osservandola attraverso i telescopi sia da terra che dallo spazio. Anche se l'analisi più recente utilizza solo pochi mesi di dati SPT-3G del 2018, la misurazione della lente gravitazionale è già competitiva nel settore.
"Una delle parti davvero interessanti di questo studio è che il risultato deriva da ciò che essenzialmente commissiona i dati di quando stavamo appena iniziando le osservazioni con l'SPT-3G, e il risultato è già eccezionale", ha affermato Amy Bender, fisica dell'Argonne e dell'Università di Washington. coautore dell'articolo. "Abbiamo altri cinque anni di dati su cui stiamo lavorando per analizzare ora, quindi questo è solo un indizio di ciò che verrà."
L'atmosfera secca e stabile e la posizione remota del telescopio del Polo Sud creano la minima interferenza possibile durante la ricerca di schemi CMB. Tuttavia, i dati della fotocamera altamente sensibile SPT-3G contengono contaminazione proveniente dall'atmosfera, nonché dalla nostra galassia e da fonti extragalattiche.
Analizzare anche solo pochi mesi di dati provenienti da SPT-3G è un’impresa che dura anni, poiché i ricercatori devono convalidare i dati, filtrare il rumore e interpretare le misurazioni. Il team ha utilizzato un cluster dedicato, un gruppo di computer, presso l'Argonne Laboratory Computing Resource Center per eseguire alcuni calcoli per la ricerca.
"Abbiamo scoperto che i modelli di lensing osservati in questo studio sono ben spiegati dalla relatività generale", ha detto Pan. "Ciò suggerisce che la nostra attuale comprensione della gravità è valida per queste grandi scale. I risultati rafforzano anche la nostra comprensione attuale di come si sono formate le strutture della materia nel nostro universo."
Le mappe di lensing SPT-3G ottenute da ulteriori anni di dati aiuteranno anche a sondare l’inflazione cosmica, o l’idea che l’universo primordiale abbia subito una rapida espansione esponenziale. L’inflazione cosmica è “un’altra pietra angolare della cosmologia”, ha osservato Pan, e gli scienziati sono alla ricerca di segni delle prime onde gravitazionali e di altre prove dirette di questa teoria. La presenza di lenti gravitazionali introduce interferenze con le impronte inflazionarie, rendendo necessaria la rimozione di tale contaminazione, che può essere calcolata utilizzando misurazioni precise delle lenti.
Mentre alcuni risultati dei nuovi dati SPT-3G rafforzeranno le conoscenze esistenti, altri solleveranno nuove domande.
"Ogni volta che aggiungiamo più dati, troviamo più cose che non capiamo", ha detto Bender, che ha un incarico congiunto presso l'Università di Chicago. "Mentre rimuovi gli strati di questa cipolla, impari sempre di più sul tuo strumento e anche sulla tua misurazione scientifica del cielo."
Si sa così poco sulle componenti invisibili dell'universo che qualsiasi comprensione acquisita è fondamentale, ha detto Pan:"Più impariamo sulla distribuzione della materia oscura, più ci avviciniamo alla comprensione della sua natura e del suo ruolo nella formazione dell'universo in cui viviamo". oggi."
Ulteriori informazioni: Z. Pan et al, Misurazione della lente gravitazionale del fondo cosmico a microonde utilizzando i dati SPT-3G 2018, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005
Informazioni sul giornale: Revisione fisica D
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
