Ein neuer Ansatz, um bis zum Urknall zurückzugreifen

Observatorien auf der ganzen Welt betreiben Himmelsregionen, die durch geringe Kontamination durch galaktische Strahlung gekennzeichnet sind, und suchen nach dem Abdruck kosmologischer Gravitationswellen (CGWs), die während der Inflation, der mysteriösen Phase der quasi-exponentiellen Ausdehnung des Weltraums im sehr frühen Universum, erzeugt wurden. Eine neue Studie der POLARBEAR-Kollaboration, die von SISSA für den Teil bezüglich der Interpretation für die Kosmologie geleitet und in veröffentlicht wurde Astrophysikalische Zeitschriftbietet einen neuen Korrekturalgorithmus, der es Forschern ermöglicht, die Menge an zuverlässigen Daten, die in solchen Observatorien erfasst werden, fast zu verdoppeln, wodurch der Zugang zu Neuland des von CGWs erzeugten Signals ermöglicht und uns dem Urknall näher gebracht wird.

„Nach dem derzeitigen Verständnis der Kosmologie war das Universum kurz nach dem Urknall sehr klein, dicht und heiß. In 10 bis 35 Sekunden dehnte es sich um den Faktor 1030 aus“, erklärt Carlo Baccigalupi, Koordinator der Gruppe Astrophysik und Kosmologie bei SISSA, erklärt. „Dieser als Inflation bekannte Prozess erzeugte kosmologische Gravitationswellen (CGW), die durch die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), der übrig gebliebenen Strahlung des Urknalls, nachgewiesen werden können. Das POLARBEAR-Experiment, an dem SISSA beteiligt ist, sieht so aus für solche Signale mit dem Huan-Tran-Teleskop in der Atacama-Wüste im Norden Chiles in der Region Antofagasta.“

Die Analyse der vom POLARBEAR-Observatorium erfassten Daten ist eine komplexe Pipeline, bei der die Zuverlässigkeit der Messungen einen äußerst heiklen und entscheidenden Faktor darstellt. „Die CGWs erregen nur einen winzigen Bruchteil des CMB-Polarisationssignals, besser bekannt als B-Moden“, erklären Nicoletta Krachmalnicoff, Forscherin bei SISSA, und Davide Poletti, zuvor am selben Institut. „Sie sind sehr schwer zu messen, insbesondere wegen der Kontamination des Signals durch die Emissionen des diffusen galaktischen Gases. Dies muss mit äußerster Genauigkeit entfernt werden, um den einzigartigen Beitrag von CGWs zu isolieren.“

In den letzten zwei Jahren hat Anto. I. Lonappan, Ph.D. Student an der SISSA, und Satoru Takakura von der University of Boulder in Colorado, haben die Qualität eines erweiterten Datensatzes aus der POLARBEAR-Kollaboration charakterisiert und alle bekannten instrumentellen und physikalischen Unsicherheiten und Systematik nachgezeichnet. „Wir haben einen Algorithmus implementiert, der den Messungen im ‚Large Patch‘, einer Region, die sich über etwa 670 Quadratgrad in der südlichen Himmelshalbkugel erstreckt, Genauigkeit zuweist, wo unser Echolot Daten in Übereinstimmung mit anderen Sonden aufdeckt, die an derselben Stelle suchen, wie z wie das BICEP2/Keck Array am Südpol“, erklären sie. Die Studie ist jetzt im veröffentlicht worden Astrophysikalische Zeitschrift.

„Dies ist ein Meilenstein auf einem langen Weg zur Beobachtung von CGWs. Der neue Ansatz ermöglicht es uns, den Himmel mit beispielloser Genauigkeit zu untersuchen und die Menge zuverlässiger Daten und damit zugänglicher Informationen zu verdoppeln. Dies ist ein entscheidender Schritt für die ganze Gemeinde jetzt, wo neue Teleskope für den Betrieb vorbereitet werden“, fügen die Wissenschaftler hinzu.

Aus experimenteller Sicht sind große Entwicklungen im Gange. Ein System aus drei verbesserten POLARBEAR-Teleskopen, bekannt als Simons Array, ist in Vorbereitung. Das Simons Observatory, ein neues System von Small und Large Aperture Telescopes, das von der Simons Foundation finanziert wird, wird von einem nahe gelegenen Standort in Atacama aus betriebsbereit sein, wobei das erste Licht im Jahr 2023 erfolgen wird. Später in diesem Jahrzehnt wird der LiteBIRD-Satellit fliegen und ein erweitertes Netzwerk von bodengestützten Observatorien, Einrichtungen in der Atacama-Wüste und am Südpol, bekannt als „Stufe IV“, wird diese Beobachtungen ergänzen.

„All diese Bemühungen werden zur ultimativen Messung von CGWs führen und gleichzeitig die wichtigsten Hinweise auf die kosmologischen Komponenten der Dunklen Energie und der Materie enthüllen“, schließt Baccialupi. „Durch die Hauptaufgabe der SISSA als Doktorandenschule, Studenten zu jungen Forschern auszubilden, trägt unser Institut wesentlich zu den wichtigsten zeitgenössischen Herausforderungen für die Physik bei, wie der gegenwärtigen, die auf Gravitationswellen aus einem winzigen Bruchteil abzielt einer Sekunde nach dem Urknall.“