Leftover Big Bang light helps calculate how massive faraway galaxies are

一组科学家已经演示了如何利用宇宙最早期的光来“测量”星系团的重量——这是一种新方法,有助于揭示暗物质、暗能量和其他宇宙之谜,比如宇宙是如何形成的。

新方法是利用南极望远镜和暗能量照相机拍摄到的大爆炸后不久的光线方向来计算星系团周围光线的弯曲度。

“引力透镜”是一种现象,当光线受到像星系这样的大物体的引力影响时,光线会发生扭曲,它可以起到放大镜的作用。它帮助科学家们发现了关于宇宙的关键信息,但它一直是通过寻找像恒星这样的遥远物体周围的光的模糊来实现的。

在发表在《物理评论快报》上的一项研究中,费米实验室和芝加哥大学的科学家布拉德·本森及其同事使用了一种不同的方法来计算遥远星系的质量:大爆炸后残留的光的偏振或方向。

“做出这样的估计是很重要的,因为大多数星系团的质量甚至是看不见的——它是暗物质,它不发光,但通过引力相互作用,构成我们宇宙中85%的物质,”本森说,他是天文学和天体物理学系的助理教授。“由于来自宇宙微波背景的光子确实穿越了整个可观测的宇宙,这种方法有潜力更准确地测量最遥远的星系团中的暗物质质量。”

从时间开始的线索

在早期的宇宙中,温度是如此之高,以至于电子和质子都热得无法形成原子。一切都是热的、电离的气体,就像太阳的表面一样。

在接下来的40万年里,宇宙膨胀并冷却到大约3000摄氏度。在这样的温度下,电子和质子结合成氢原子,并在这个过程中释放光子。这种被称为宇宙微波背景辐射(CMB)的光从那时起就一直在太空中穿行——一种携带着早期宇宙信息的“时间机器”。

在阿蒙森-斯科特南极站,工作人员和科学家们,绰号“烧杯”,昼夜不停地工作,以管理南极望远镜。这不是一件容易的工作;它位于地球最南端,平均气温为零下47摄氏度,太阳每年只升起和落下一次。但是南极望远镜需要这种恶劣的环境来进行它的科学工作。

南极望远镜上的摄像机测量南侧天空中微波背景辐射光的偏振或方向的微小波动,平均为一亿分之一,比迄今为止的任何其他实验都要灵敏。

本森说:“这些微小的变化可能会受到像星系团这样的大型物体的影响,它们就像透镜一样,在我们的信号中产生独特的扭曲。”

本森和其他科学家寻找的信号是围绕星系群的小规模涟漪——一种被称为引力透镜效应的效应。透过透明的葡萄酒杯底部,你也可以看到类似的效果。

“如果你在火焰中透过酒杯底部看,你可以看到一圈光。这就像我们从强引力透镜看到的效果。”本森说。“我们在这里看到了类似的效果,除了失真更弱,而且CMB的光散布在天空中更大的区域。”

暗能量摄像机的协助

为了找到星系团的最大数量,科学家们交叉引用了暗能量调查(Dark Energy Survey)的数据。暗能量调查是一项对天空的多年调查,捕捉了宇宙中逾1.7万个星系团的位置。

然后,他们可以把这些位置输入一个计算机程序,以寻找在宇宙微波背景辐射极化的星系团产生引力透镜效应的证据。一旦找到证据,他们就可以利用新的数学估计器计算出星系团的质量。

虽然提出了这个想法,但还没有人在实际数据上证明这个方法。

科学家们发现,星系团的平均质量大约是太阳质量的100万亿倍,这个估计与其他方法一致。其中相当一部分是以暗物质的形式存在的。

为了进行更深入的探索,科学家们计划使用升级后的南极望远镜相机(SPT-3G,安装于2017年)和下一代CMB实验(CMB- s4)进行类似的实验,后者将进一步提高灵敏度,并提供更多的星系团供研究。

CMB-S4将包括专用望远镜配备高度敏感的超导相机操作在南极,智利的阿塔卡玛高原甚至北半球网站,允许研究人员限制通货膨胀的参数,暗能量的中微子的数量和质量,甚至测试广义相对论在大尺度。

改编自凯瑟琳·n·斯特费尔的一篇文章,最初由费米国家加速器实验室发表。

引用:“使用SPTpol偏振数据检测cmb -簇透镜。S. Raghunathan等人(SPTpol和DES协作)。《物理评论快报》,2019年10月31日。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.181301

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