Astrophysiker können Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der Strahlung, die 380.000 Jahre nach dem Urknall entsteht, nutzen, um zu verstehen, wie das Universum in seinen Anfängen aussah. Und durch die Beobachtung des Lichts, das von Galaxien emittiert wird, die nah genug an der Erde liegen, damit Teleskope sie erkennen können, können Wissenschaftler einzelne Galaxien katalogisieren, um mehr über ihre Verteilung zu erfahren.
„Wie klumpig Materie im Universum ist, verrät uns allerlei interessante Physik“, sagte Kirit Karkare, außerordentlicher Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und hochrangiges Mitglied der Stanford University und des SLAC/Stanford Kavli Institute for Particle Astrophysics Kosmologie (KIPAC). Physiker können die großräumige Struktur des Universums nutzen, um mehr über dunkle Energie, dunkle Materie, Inflation und Neutrinos zu erfahren.
Allerdings sind Galaxien vor einigen Milliarden Jahren zu weit entfernt, als dass selbst die leistungsstärksten Teleskope sie auflösen könnten. Mit aktuellen Techniken können Wissenschaftler nur fünf bis zehn Prozent des Volumens des gesamten Universums sehen, das etwa 14 Milliarden Jahre alt ist.
„Wir wollen das gesamte Volumen des Universums messen, weil wir dadurch die beste Präzision in der kosmologischen Physik haben“, sagte Karkare. „Es stellt sich heraus, dass die Tatsache, dass einige Galaxien weit entfernt und schwach sind, nicht bedeutet, dass man sie nicht entdecken kann. Wir brauchen nur eine neue Technik, um das jugendliche Universum zu sehen, wenn Sie so wollen.“
Er glaubt, dass die Technik das Line Intensity Mapping (LIM) sein könnte. Mit seinen Co-Hauptforschern, Peter Barry von der Cardiff University und Adam Anderson vom Fermi National Accelerator Laboratory des DOE, entwickelt Karkare einen neuen Detektortyp, der LIM verwenden wird, um Galaxien zu kartieren, die für herkömmliche Untersuchungen zu weit entfernt sind.
„Es macht wirklich Spaß, neue Wege zu gehen“, sagte Karkare. „Wenn wir Recht haben, bedeutet das, dass wir über eine Beobachtungstechnik verfügen, die es uns ermöglicht, im Grunde die gesamte Geschichte des Universums abzubilden und die größtmögliche Menge an kosmologischen Informationen zu extrahieren.“
Verschmierte Messung, gleiche Physik
Anstatt ein hochauflösendes Teleskop zu verwenden, um einzelne Galaxien zu lokalisieren, verwendet LIM ein niedrigauflösendes Teleskop, um die Summe der von einer Ansammlung von Galaxien emittierten Strahlung zu untersuchen. Infolgedessen erscheinen Intensitätskartierungsbilder im Vergleich zu herkömmlichen Galaxiendurchmusterungsbildern verschmiert. Forscher können sie immer noch verwenden, um die Klumpenstruktur des Universums herauszufinden: Bereiche mit mehr Galaxien sind heller, Bereiche mit weniger Galaxien sind dunkler.
„Es stellt sich heraus, dass dieses Linienintensitätsbild die gesamte relevante Kosmologie und Physik enthält wie das traditionelle Galaxiendurchmusterungsbild“, sagte Karkare.
Die Kombination dieser verschmierten Bilder mit der Farbe des Lichts verrät Astrophysikern, wie weit die Aggregate entfernt sind, genau wie bei herkömmlichen Durchmusterungen, um Klumpen in drei Dimensionen abzubilden.
„Wenn Sie keine Informationen über die Details einzelner Galaxien benötigen, ist diese Technik wahrscheinlich die effizienteste Möglichkeit, die Clusterbildung dieser Galaxien und die großräumige Struktur des Universums über ein sehr großes Volumen abzubilden. Die Entwicklung dieser Karte.“ enthält die wichtigsten Informationen über die grundlegende Physik vom Himmel, einschließlich der Natur der dunklen Energie und der Inflation“, sagte Risa Wechsler, Direktorin von KIPAC und Professorin für Geistes- und Naturwissenschaften sowie Professorin für Physik sowie Teilchenphysik und Astrophysik an der Stanford University und SLAC.
LIM kann auf jede Lichtwellenlänge angewendet werden, sagte Karkare, und er und seine Kollegen werden im Millimeterwellenlängenbereich nachweisen, da weit entfernte Galaxien in diesem Bereich hell sind.
Frühe Galaxien sind staubig und bieten ideale Bedingungen für die Sternentstehung. Das von diesen Sternen emittierte Licht wird vom Staub absorbiert und dann vom Staub mit längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt. Auf dem Weg zur Erde wird dieses Licht auf noch längere Wellenlängen ausgedehnt und ist von bodengestützten Observatorien aus bei Wellenlängen von etwa einem Millimeter sichtbar.
Aber dieses Signal ist immer noch extrem schwach.
„Man braucht viele Jahre, um die Beobachtungen eines scheinbar leeren Himmelsflecks zu mitteln, bevor man sehr, sehr schwache Signale erkennen kann“, sagte Karkare.
Während bei anderen Experimenten LIM-Messungen bei Millimeterwellenlängen durchgeführt werden, wird der neue Instrumententyp, an dessen Entwicklung Karkare beteiligt ist, der South Pole Telescope Summertime Line Intensity Mapper (SPT-SLIM), diese Art von Messung mit höherer Empfindlichkeit als je zuvor durchführen, um Zugang zu erhalten Die geheimnisvollen mittleren Jahre des Universums.
Miniaturdetektoren maximieren die Empfindlichkeit
Anstatt wie üblich ein großes Spektrometer zu verwenden, wird SPT-SLIM über 18 Mini-Spektrometer verfügen, die jeweils auf einen Siliziumwafer gedruckt wurden. Da die Detektoren kleiner sind, können mehr in das Instrument gepackt werden, wodurch es empfindlich genug ist, um schwaches Millimeterwellenlicht von entfernten Galaxien zu erkennen. Karkare glaubt, dass SPT-SLIM in der Lage sein wird, Galaxien zu entdecken, die 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden sind.
Mitglieder des SPT-SLIM-Teams arbeiten seit 2021 an den Detektoren von SPT-SLIM an der University of Chicago. Diese Detektoren arbeiten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, daher bauen Kollegen am Fermilab einen Kryostat, um sie kühl zu halten.
Als nächstes wird das Team die Detektoren, die zusammen mit dem Kryostat in einem kompakten, drei Fuß hohen Zylinder untergebracht sind, im Südpol-Teleskop installieren, wo es während der diesjährigen Sommersaison in der Antarktis Daten sammeln wird.
„Der Südpol ist ein Paradies für einen experimentellen Kosmologen“, sagte Karkare. Die Antarktis eignet sich besonders gut für Millimeterwellenmessungen, deren schwaches Signal durch Atmosphäre und Wasserdampf blockiert wird. Der Südpol liegt fast 10.000 Fuß über dem Meeresspiegel, was bedeutet, dass weniger Atmosphäre im Weg ist und Wasser aus der Luft gefriert.
Sobald das Team nachweist, dass SPT-SLIM funktioniert, beginnt es mit der Skalierung auf ein größeres Instrument mit der zehnfachen Detektoranzahl. Diese Verbesserung wird es hoffentlich künftigen Experimenten ermöglichen, Galaxien zu erreichen, die 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.
„SPT-SLIM wird als Wegbereiter für etwas viel Größeres dienen können, das wir im nächsten Jahrzehnt tun könnten“, sagte Wechsler.
Karkare plant, die derzeit im Bau befindliche Detector Microfabrication Facility von SLAC zu nutzen, um diese winzigen Detektoren einfacher herzustellen.
„Ich freue mich sehr, diese neue Anlage zu nutzen, um unsere Detektorfertigung zu erweitern“, sagte Karkare. Obwohl er derzeit die einzige Person ist, die am SLAC an SPT-SLIM arbeitet, plant Karkare, im Labor eine Gruppe zur Intensitätskartierung zu gründen. Er freut sich auch auf die Zusammenarbeit mit Wechsler und anderen Kollegen von KIPAC und SLAC, die sich auf traditionelle Galaxiendurchmusterungen wie die Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time konzentrieren, um das Beste aus den Karten von SPT-SLIM herauszuholen.
„Einer der aufregendsten Aspekte dabei ist tatsächlich die Komplementarität zwischen diesen verschiedenen Techniken und wie wir all dies zusammenfügen, um das beste, präziseste und genaueste Bild davon zu erhalten, was das Universum im größtmöglichen Volumen tut.“ sagte Wechsler.
Und SPT-SLIM ist mehr als nur eine Möglichkeit, bisher unzugängliche Teile des Universums zu betrachten. Es ist auch eine Möglichkeit, sich an einen Kollegen zu erinnern. Das Konzept für dieses Instrument entstand, als Karkare im Labor des im Januar verstorbenen Astronomen Erik Shirokoff von der University of Chicago arbeitete.
„Wir alle vermissen ihn wirklich“, sagte Karkare. „Deshalb betrachten wir den Einsatz von SPT-SLIM als eine Möglichkeit, sein Vermächtnis zu würdigen.“