La prima luce conosciuta nel nostro universo, noto come fondo cosmico a microonde, è stato emesso circa 380, 000 anni dopo il Big Bang. Il modello di questa luce reliquia contiene molti indizi importanti per lo sviluppo e la distribuzione di strutture su larga scala come galassie e ammassi di galassie.

Distorsioni nel fondo cosmico a microonde (CMB), causato da un fenomeno noto come lensing, può illuminare ulteriormente la struttura dell'universo e può anche dirci cose sul misterioso, universo invisibile, compresa l'energia oscura, che costituisce circa il 68 per cento dell'universo e spiega la sua espansione accelerata, e materia oscura, che rappresenta circa il 27 per cento dell'universo.

Appoggiare su un piano un calice da vino con stelo, e puoi vedere come gli effetti della lente possono ingrandirsi contemporaneamente, stretta, e allungare la vista della superficie sottostante. Nell'ottica della CMB, gli effetti di gravità di oggetti di grandi dimensioni come galassie e ammassi di galassie piegano la luce CMB in modi diversi. Questi effetti di lente possono essere sottili (noti come lente debole) per galassie distanti e piccole, e i programmi per computer possono identificarli perché interrompono il normale patterning CMB.

Ci sono alcuni problemi noti con l'accuratezza delle misurazioni dell'obiettivo, anche se, e in particolare con misurazioni basate sulla temperatura del CMB e degli effetti di lente associati.

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

E come insetti sul parabrezza di un'auto durante un lungo viaggio, il gas e la polvere che turbinano in altre galassie, tra gli altri fattori, può oscurare la nostra vista e portare a letture errate dell'obiettivo CMB.

Esistono alcuni strumenti di filtraggio che aiutano i ricercatori a limitare o mascherare alcuni di questi effetti, ma questi noti ostacoli continuano a essere un grosso 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 delle lenti, disse Emmanuel Schaan, un ricercatore post-dottorato e Owen Chamberlain Postdoctoral Fellow nella Divisione di Fisica presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia.

"Puoi sbagliarti e non saperlo, " ha detto Schaan. "I metodi esistenti non funzionano perfettamente, sono davvero limitanti".

Per affrontare questo problema, Schaan ha collaborato con Simone Ferraro, un membro della divisione nella divisione di fisica del Berkeley Lab, sviluppare un modo per migliorare la chiarezza e l'accuratezza delle misurazioni della lente CMB tenendo conto separatamente dei diversi tipi di effetti della lente.

"L'obiettivo può ingrandire o sminuire le cose. Le distorce anche lungo un certo asse in modo che siano allungate in una direzione, " ha detto Schaan.

I ricercatori hanno scoperto che una certa firma della lente chiamata shearing, che provoca questo allungamento in una direzione, sembra in gran parte immune agli effetti di "rumore" in primo piano che altrimenti interferiscono con i dati dell'obiettivo CMB. L'effetto lente noto come ingrandimento, nel frattempo, è soggetto a errori introdotti dal rumore di primo piano. Il loro studio, pubblicato l'8 maggio sulla rivista Lettere di revisione fisica , rileva una "riduzione drastica" di questo margine di errore quando ci si concentra esclusivamente sugli effetti di taglio.

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

"Così abbiamo detto, 'Affidiamoci solo alla cesoia e saremo immuni agli effetti di primo piano, '" ha detto Ferraro. "Quando hai molte di queste galassie che sono per lo più sferiche, e li fai la media, contaminano solo la parte di ingrandimento della misurazione. Per taglio, tutti gli errori sono praticamente spariti."

Ha aggiunto, "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 lenti in primo piano.

Il nuovo metodo potrebbe beneficiare di una serie di esperimenti di rilevamento del cielo, le note di studio, compresi gli esperimenti POLARBEAR-2 e Simons Array, che hanno partecipanti Berkeley Lab e UC Berkeley; il progetto Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); e il telescopio del polo sud—fotocamera 3G (SPT-3G). Potrebbe anche aiutare l'Osservatorio Simons e la proposta di prossima generazione, esperimento CMB multilocazione noto come CMB-S4:gli scienziati del Berkeley Lab sono coinvolti nella pianificazione di entrambi questi sforzi.

Il metodo potrebbe anche migliorare la resa scientifica delle future indagini sulle galassie come il progetto Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) condotto da Berkeley Lab in costruzione vicino a Tucson, Arizona, e il progetto Large Synoptic Survey Telescope (LSST) in costruzione in Cile, attraverso analisi congiunte dei dati di queste rilevazioni del cielo e dei dati di lensing della CMB.

Set di dati sempre più grandi provenienti da esperimenti di astrofisica hanno portato a un maggiore coordinamento nel confrontare i dati tra gli esperimenti per fornire risultati più significativi. "In questi giorni, le sinergie tra CMB e le indagini galattiche sono un grosso problema, " ha detto Ferraro.

In questo studio, i ricercatori si sono basati su dati CMB simulati di tutto il cielo. Hanno utilizzato le risorse del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab per testare il loro metodo su ciascuna delle quattro diverse fonti di rumore in primo piano, che includono infrarossi, frequenza radio, termico, ed effetti di interazione elettronica che possono contaminare le misurazioni della lente CMB.

Lo studio rileva che il rumore di fondo a infrarossi cosmici, e il rumore dall'interazione delle particelle di luce CMB (fotoni) con gli elettroni ad alta energia sono state le fonti più problematiche da affrontare utilizzando 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 luminosa CMB piuttosto che della sua temperatura.

"Non avremmo potuto realizzare questo progetto senza un cluster informatico come NERSC, " ha detto Schaan. Il NERSC si è anche dimostrato utile nel servire altre simulazioni dell'universo per aiutare a prepararsi per 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 lo sviluppo di visualizzazioni più dettagliate di filamenti e nodi di materia oscura che sembrano collegare la materia nell'universo tramite una rete cosmica complessa e mutevole.

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

"Questo era un problema in sospeso a cui molte persone avevano pensato, " ha detto Ferraro. "Siamo felici di trovare soluzioni eleganti."