En ny tilnærming for å nå tilbake til Big Bang

Operative observatorier over hele kloden retter seg mot himmelregioner preget av lav forurensning fra galaktisk stråling, og leter etter avtrykket av kosmologiske gravitasjonsbølger (CGWs) produsert under inflasjon, den mystiske fasen av kvasi-eksponentiell utvidelse av rommet i det tidlige universet. En ny studie fra POLARBEAR-samarbeidet, ledet av SISSA for delen som gjelder tolkningen for kosmologi og publisert i Astrofysisk tidsskriftgir en ny korreksjonsalgoritme som lar forskere nesten doble mengden pålitelige data innhentet i slike observatorier, og dermed gi tilgang til ukjent territorium for signalet produsert fra CGW-er og bringe oss nærmere Big Bang.

“I følge dagens forståelse innen kosmologi var universet like etter Big Bang veldig lite, tett og varmt. I 10.^-35 sekunder, den strakte seg med en faktor på 10³⁰,” forklarer Carlo Baccigalupi, koordinator for Astrophysics & Cosmology-gruppen ved SISSA. “Denne prosessen, kjent som inflasjon, produserte kosmologiske gravitasjonsbølger (CGW) som kan oppdages gjennom polariseringen av Cosmic Microwave Background (CMB), restene stråling fra Big Bang. POLARBEAR-eksperimentet, som SISSA er en del av, leter etter slike signaler ved hjelp av Huan Tran-teleskopet i Atacama-ørkenen i Nord-Chile i Antofagasta-regionen.”

Analysen av data innhentet av POLARBEAR-observatoriet er en kompleks rørledning hvor pålitelighet av målinger representerer en svært delikat og nøkkelfaktor. “CGW-ene begeistrer bare en liten brøkdel av CMB-polarisasjonssignalet, bedre kjent som B-modes,” forklarer Nicoletta Krachmalnicoff, forsker ved SISSA, og Davide Poletti, tidligere ved samme institutt. “De er svært vanskelige å måle, spesielt på grunn av forurensning av signalet på grunn av utslipp av den diffuse galaktiske gassen. Dette må fjernes med utsøkt nøyaktighet for å isolere det unike bidraget til CGW.”

I løpet av de siste to årene har Anto. I. Lonappan, Ph.D. student ved SISSA, og Satoru Takakura fra University of Boulder, i Colorado, har karakterisert kvaliteten på et utvidet datasett fra POLARBEAR-samarbeidet, og sporet alle kjente instrumentelle og fysiske usikkerheter og systematikk. “Vi har implementert en algoritme som tildeler nøyaktighet til målingene i ‘Large Patch’, et område som strekker seg rundt 670 kvadratgrader på den sørlige himmelhalvkule, hvor ekkoloddet avslører data i samsvar med andre sonder som ser på samme sted, som f.eks. som BICEP2/Keck Array som ligger på Sydpolen,” forklarer de. Studien er nå publisert i Astrofysisk tidsskrift.

“Dette er en milepæl på en lang vei mot observasjon av CGW-er. Den nye tilnærmingen lar oss undersøke himmelen med enestående nøyaktighet, doble mengden pålitelige data og dermed tilgjengelig informasjon. Dette er et avgjørende skritt for hele samfunnet nå som nye teleskoper blir klargjort for operasjoner,” legger forskerne til.

Store utviklinger er på vei fra et eksperimentelt synspunkt. Et system med tre oppgraderte POLARBEAR-teleskoper, kjent som Simons Array, er under forberedelse. Simons Observatory, et nytt system med små og store blenderteleskoper, finansiert av Simons Foundation, vil være i drift fra et nærliggende sted, i Atacama, med første lys som skjer i 2023. Senere i dette tiåret vil LiteBIRD-satellitten fly, og et utvidet nettverk av bakkebaserte observatorier, hvilke anlegg i Atacama-ørkenen og Sydpolen, kjent som “Stage IV”, vil utfylle disse observasjonene.

“Alle disse anstrengelsene vil føre til den ultimate måling av CGW, og samtidig avsløre de viktigste ledetrådene om Dark Energy og Matter kosmologiske komponenter,” konkluderer Baccigalupi. “Gjennom hovedoppdraget til SISSA som en Ph.D.-skole, å trene studenter til å bli unge forskere, er og vil instituttet vårt bidra betydelig til de viktigste moderne utfordringene for fysikk, som den nåværende, rettet mot gravitasjonsbølger fra en liten brøkdel et sekund etter Big Bang.”

---

---