Badanie historii Wszechświata na podstawie danych dotyczących różnych fal
Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła to pierwsze światło wyemitowane we Wszechświecie około 14 miliardów lat temu, które możemy obecnie obserwować jako mikrofalowe promieniowanie elektromagnetyczne. To wyjątkowe światło przenika cały Wszechświat i stanowi swoiste podświetlenie układu galaktyk, które obserwujemy za pomocą teleskopów wykrywających fale o długościach optycznych lub podczerwonych. Projekt PiCOGAMBAS, realizowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu opracowanie nowych metod prowadzenia wspólnych badań korelacji krzyżowych między danymi na temat tego wyjątkowego promieniowania i galaktyk. „Wykorzystaliśmy istniejące dane w celu zbadania i przedstawienia naszych nowatorskich koncepcji, które obejmowały połączenie projektowania i wdrażania symulacji numerycznych i technik statystycznych, a także analizy danych”, wyjaśnia Giulio Fabbian, główny badacz projektu. Celem tych badań miało być zestawienie map galaktyk z mapami sygnatur galaktyk w danych dotyczących promieniowania mikrofalowego tła. Dzięki temu naukowcy będą w stanie przyjrzeć się bliżej wspólnym podstawowym procesom fizycznym, które zachodziły we Wszechświecie we wczesnym i późniejszym okresie rozwoju, wpływające zarówno na samo promieniowanie, jak i na galaktyki.
Badania pierwotnego Wszechświata
Obserwacja polaryzacji promieniowania mikrofalowego tła, głównie tak zwanych trybów B, które są głównym obiektem nowych doświadczeń, jest najlepszym sposobem na zrozumienie, w jaki sposób pierwsze perturbacje w rozkładzie ciemnej materii wystąpiły wkrótce po Wielkim Wybuchu w tak zwanym okresie inflacji kosmologicznej. Perturbacje te rozszerzały się, prowadząc do uformowania galaktyk, które obserwujemy dziś. „Grawitacyjne soczewkowanie promieniowania mikrofalowego tła może jednak powodować ukrywanie sygnałów inflacji. Efektem jest powstawanie fałszywych trybów B, które powodują błędy w danych. Idealne rozwiązanie pozwoliłoby nam na cofnięcie efektu soczewkowania lub uwzględnienie go w badaniach, by zmierzyć pierwotny sygnał”, wyjaśnia Fabbian. W tym celu naukowcy potrzebują precyzyjnych pomiarów rozkładu materii we Wszechświecie, która odpowiada za soczewkowanie promieniowania. Z tego powodu potrzebne są badania galaktyk. Zespół projektu PiCOGAMBAS określił nowe efekty wynikające z uproszczeń stosowanych przez badaczy, a następnie opracował ich modele na potrzeby analizy promieniowania mikrofalowego tła, map jego soczewkowania i ich sygnałów korelacji krzyżowej. „Obawiamy się, że może to prowadzić do wyciągania błędnych wniosków na temat właściwości ciemnej energii, ciemnej materii lub historii ekspansji Wszechświata”, dodaje Fabbian.
Badanie modeli ciemnej materii, ciemnej energii i inflacji kosmologicznej
Wykorzystując dane optyczne z misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), w połączeniu z pomiarami soczewkowania promieniowania mikrofalowego tła, zespół projektu PiCOGAMBAS zbadał historię ekspansji Wszechświata i właściwości ciemnej materii. Celem misji Gaia był początkowo pomiar ruchu gwiazd w naszych galaktykach, ale przy okazji udało się dokonać wielu przypadkowych odkryć odległych masywnych galaktyk, których sercami są supermasywne czarne dziury, nazywane kwazarami. „Wiele pracy kosztowało nas rozdzielenie gwiazd od kandydatów na kwazary za pomocą technik uczenia maszynowego i źródeł danych astronomicznych”, wyjaśnia Fabbian. Współczesne zbiory danych wskazują na rozbieżności między pomiarami przeprowadzonymi w późnym Wszechświecie w ramach ziemskich badań galaktyk, a przewidywaniami modelu Lambda-CDM dokonanymi na podstawie obserwacji promieniowania tła. Nowy zbiór danych wysokiej jakości pozwolił zespołowi wykazać, że kosmologiczne napięcia nie istnieją, ale są prawdopodobnie artefaktami obserwacji lub wynikają z ograniczeń gromadzenia danych z Ziemi. Dzięki tym doświadczeniom Fabbian mógł także wykorzystać model Lambda-CDM w nowej epoce i udowodnić, że dane na temat kosmologii ustalone na podstawie kosmicznego promieniowania mikrofalowego tła wydają się być spójne przez 12 miliardów lat historii Wszechświata. „Opracowaliśmy nowe sposoby i narzędzia statystyczne pozwalające na badanie modeli ciemnej materii, ciemnej energii i inflacji kosmologicznej. Obejmują one łączenie kosmicznych pustek (regionów przestrzeni, w których nie widzimy galaktyk) i map soczewkowania promieniowania tła”, wyjaśnia badacz. „Przyjrzeliśmy się również odchyleniom od prawa Plancka opisującego emisję promieniowania elektromagnetycznego przez ciało doskonale czarne w przypadku promieniowania tła i ich korelacji z mapami jego anizotropii”, wyjaśnia Fabbian. Rezultaty badań zostaną wykorzystane do analizy danych z satelity ESA Euclid oraz z Obserwatorium Simonsa. Fabbian nie może się doczekać tej chwili: „W nadchodzących latach z pewnością znacząco rozwiniemy naszą wiedzę o Wszechświecie”.
Słowa kluczowe
PiCOGAMBAS, pierwotny Wszechświat, ciemna materia, ciemna energia, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła