På 1960-tallet ble det observert en uregelmessig, svak elektromagnetisk glød over hele himmelen. Fysikere slo senere fast at lyset kom fra det veldig tidlige universet, frigjort da de første atomene ble dannet kort tid etter Big Bang.
Vi kaller nå denne relikviestrålingen den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, eller CMB. Å studere det er en av de høyest prioriterte aktivitetene innen kosmologi.
«Det fantastiske med disse [photons] er de har opplevd hele universets historie, sier Julian Borrill, seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory ved det amerikanske energidepartementet. «Og alt som noen gang har skjedd i universet har satt et lite avtrykk på disse fotonene; det har endret deres distribusjon og energier litt på alle slags subtile måter.
“Hvis vi kan måle dem med nok presisjon og forstå statistikken deres, kan vi erte hele universets historie.”
Mange eksperimenter, både rom- og bakkebaserte, studerer allerede CMB. Nå utvikler forskere planer for et ambisiøst prosjekt som vil multiplisere med 10 sensitiviteten til alle disse søkene til sammen.
Kalt Cosmic Microwave Background-Stage 4, vil prosjektet omfatte en rekke teleskoper med liten og stor blenderåpning utplassert i Chile og på Sydpolen. Å bygge det ville kreve et enestående samarbeid mellom to finansieringsbyråer og tre vitenskapelige miljøer: astronomi, partikkelfysikk og polarvitenskap.
Hvis forskere kan klare det, vil CMB-S4 koble en sandørken med en polarørken for å ta opp store astronomiske spørsmål.
“Vi går tilbake for å lete etter fysikk fra tidenes morgen og teste modellen for hvordan hele universet vårt ble skapt,” sier John Carlstrom, en CMB-S4-prosjektforsker og professor ved University of Chicago. “Fra det lærer vi også mye om hva som er i universet, hvordan det utviklet seg fra disse kvantesvingningene til all strukturen vi ser.
“Vi utvikler hele historien om universet fra dets barndom og skapelse til i dag.”
Vitenskapsmålene
For mange av de over 400 forskerne på tvers av 121 verdensomspennende institusjoner som er en del av CMB-S4-samarbeidet, er det mest spennende målet med eksperimentet søket etter bevis på kosmisk inflasjon.
Kosmisk inflasjon er en hypotetisk hendelse der universet raskt utvidet seg. “Vi tror at inflasjon er ett av mange hint for å løse inkonsistensen mellom våre to store fysikkteorier,” generell relativitetsteori og kvantemekanikk, sier Borrill, som fungerer som CMB-S4-prosjektets dataforsker.
Kosmisk inflasjon vil blant annet også forklare hvorfor områder av universet som ellers aldri skulle ha vært nær nok sammen til å påvirke hverandre, fortsatt virker mistenkelig like.
Inflasjonsprosessen skulle ha utløst gravitasjonsbølger, fluktuasjoner i rom-tid som CMB-S4 er designet for å oppdage.
Enten å oppdage eller utelukke tilstedeværelsen av primordiale gravitasjonsbølger “ville være et stort fremskritt for vår kunnskap om universet,” sier Jeff McMahon, en førsteamanuensis ved University of Chicago og medtalsperson for CMB-S4-samarbeidet.
Men et eksperiment av denne skalaen og følsomheten ville ha potensial til å gjøre mye mer, inkludert oppdage ukjente subatomære partikler fra det tidlige universet, utforske naturen til mørk materie og mørk energi, kartlegge materien i kosmos og fange forbigående fenomener i mikrobølgeovn himmel.
“Jeg tror rikdommen til datasettet betyr at det kommer til å lede oss i nye retninger, og disse retningene kan være noe nytt og spennende,” sier McMahon. – Jeg tror det er rom for overraskelser.
Teleskopene
CMB-S4 planlegger å plassere en rekke mikrobølgeovner teleskoper på to steder som har blitt undersøkt for sin vitenskapelige verdi: Atacama-platået i Chile og Sydpolen. Simons-observatoriet, som er under bygging i Chile, og South Pole-observatoriet, som opererer i Antarktis, er blant forløper «Stage-3» CMB-eksperimenter som kan gi et solid grunnlag for utviklingen av CMB-S4.
For å oppfylle noen av CMB-S4s vitenskapelige mål, vil forskere trenge å se på den samme flekken av himmelen i lang tid, og Sydpolen er praktisk orientert for dette, siden synet på himmelen endres svært lite i løpet av år. Forskere planlegger å være vertskap for minst 9 teleskoper med liten åpning på 0,5 meter i diameter og ett 5-meters teleskop med stor åpning på CMB-S4s sydpolsted for å gjennomføre en ultra-dyp undersøkelse av 3 % av himmelen.
Andre mål krever at forskere samler inn data fra et veldig stort område på himmelen; nettstedet i Chile er godt egnet for dette. På CMB-S4-stedet i den chilenske Atacama-ørkenen planlegger forskerne å bruke to 6-meters teleskoper med stor åpning for å gjennomføre en dyp og bred undersøkelse av 70 % av himmelen.
CMB-S4-samarbeidet planlegger å bruke hundretusenvis av superledende bolometre som deres detektorer. “Det som gjør disse eksperimentene følsomme er antallet detektorer de har i fokusplanet,” sier Kevin Huffenberger, professor ved Florida State University og medtalsperson for CMB-S4-samarbeidet. “[Even with] en bedre detektor, du ser fortsatt gjennom den samme atmosfæren, så det hjelper egentlig ikke… Du må bygge flere detektorer slik at du kan snitte atmosfæren over flere detektorer.»
Designet for CMB-S4, sier han, gir “et stort steg opp i følsomheten, som lar den gjøre ting som de andre eksperimentene ikke kunne.”
Fremdrift og planlegging
Tre store studier har godkjent CMB-S4. Det ble anbefalt i 2014 av Particle Physics Project Prioritization Panel, som skisserer prioriteringer for amerikansk partikkelfysikk; i 2015 av National Academies-rapporten En strategisk visjon for NSF-investeringer i forskning i Antarktis og sørlige hav, som definerer målene for National Science Foundation Office of Polar Programs; og i november 2021 av National Academies-rapporten Veier til oppdagelse i astronomi og astrofysikksom skisserer prioriteringer for amerikansk astronomi og astrofysikk i det kommende tiåret.
CMB-S4-teamet planlegger at prosjektet skal være et partnerskap mellom National Science Foundation og US Department of Energy. I 2019 etablerte DOE formelt det vitenskapelige behovet for CMB-S4, og i 2020 utpekte det Lawrence Berkeley National Lab som vertslaboratoriet. Finansieringsbyråene krever ytterligere gjennomgang før de godkjenner byggestart.
Den tilsynelatende langsomme fremgangen er ikke uvanlig for et forsøk på denne størrelsen, ifølge de involverte. Det er et stort prosjekt, og det tar mye tid for etatene å sørge for at prosjektet er godt begrunnet, sier Huffenberger.
Marcelle Soares-Santos, en assisterende professor ved University of Michigan og en sammenkaller av gruppen som fokuserte på astrofysikk på Snowmass2021, er heller ikke overrasket over tempoet. “Vi ønsker alle at det skal gå raskere, men jeg tror det ikke er uventet å være på dette stadiet,” sier hun. “Det er en grunn til at det krever støtte fra hele samfunnet – fordi det krever kunnskap og ekspertise og ressurser som kommer fra forskjellige hjørner av samfunnet.”
CMB-S4-teamet må også vurdere tildelingen av de begrensede ressursene som er tilgjengelige på den NSF-administrerte Sydpolstasjonen, som på grunn av sin avsidesliggende beliggenhet og ekstrem kulde kun er tilgjengelig noen få måneder i året. For å optimalt matche egenskapene til CMB-S4 til de logistiske begrensningene ved utplassering og drift av teleskopene på Sydpolen, blir balansen mellom antall teleskoper plassert på hvert sted for tiden undersøkt på nytt gjennom en “analyse av alternativer”, en av de mange etatskrav før man vurderer og godkjenner prosjektet for bygging.
“Vi går gjennom de forskjellige endringene i instrumentkonfigurasjonene vi kan gjøre som fortsatt vil oppfylle instrumentkravene våre [in order] for å forstå hva som passer best innenfor det logistiske fotavtrykket – spesielt for South Pole Station, men også prosjektet generelt, sier McMahon.
Den prosessen bør avsluttes i år, sier han, “da bør vi være klare til å søke finansiering for å gå videre mot de neste stadiene av design og deretter konstruksjon, med operasjoner på begynnelsen av 2030-tallet.”