נתונים מתצפיות "טלסקופ הקוטב הדרומי" על עדשות כבידתיות במשך שש שנים הביאו ליצירת מפת הרקע הקוסמי באמצעות גלי מיקרו * זאת כחלק מפרויקט של המעבדה הלאומית ארגון כחלק ממאמץ רב-מוסדי לסקור את השמים בחיפוש אחר רמזים על מקורותיו וטבעו של היקום
מפות עידוש כבידתי מנתונים ראשוניים מבטיחות פירוט רב עוד יותר
במשך יותר מחמש שנים, מדענים בטלסקופ הקוטב הדרומי באנטארקטיקה צופים בשמיים במצלמה משודרגת. המבט המורחב לעבר היקום קולט שאריות אור מההיווצרות המוקדמת של היקום. כעת החוקרים ניתחו קבוצה ראשונית של נתונים, ופרסמו פרטים בכתב העת Physical Review D. התוצאות ממערך הנתונים המוגבל הזה מרמזות על תובנות עתידיות משמעותיות עוד יותר על טבע היקום שלנו.
פריצות דרך בניתוח רקע קוסמי של גלי מיקרו
הטלסקופ, הממוקם בתחנת הקוטב הדרומי אמונדסן-סקוט של הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, קיבל מצלמה חדשה בשנת 2017 בשם SPT-3G, שנבנתה ומופעלת בשיתוף פעולה בהובלת אוניברסיטת שיקגו.
מצויד ב-16,000 גלאים - פי 10 מקודמו - SPT-3G הוא מרכזי במחקר רב-מוסדי המובל בחלקו על-ידי המעבדה הלאומית 'ארגון'. המטרה היא למדוד אור חלש המכונה רקע גלי מיקרו קוסמי. הרקע הקוסמי של גלי המיקרו הוא הזוהר שלאחר המפץ הגדול, כאשר היקום פרץ מנקודת אנרגיה אחת לפני כמעט 14 מיליארד שנה.
"ה-CMB (קרינת הרקע הקוסמית) היא מפת אוצר לקוסמולוגים", אמר ז'אודי פאן, המחבר הראשי של המאמר ועמית מריה גופרט מאייר בארגון (Argonne). "השינויים הזעירים בטמפרטורה ובקיטוב מספקים חלון ייחודי ליקום הצעיר.
עידוש כבידתי ותובנות על החומר האפל
המאמר בכתב העת Physical Review D מציע את מדידות העידוש הכבידתי הראשונות של קרינת הרקע הקוסמית מה-SPT-3G. עידוש כבידתי מתרחש כאשר רשת החומר העצומה של היקום מעוותת את קרינת הרקע הקוסמית בזמן שהיא נעה על-פני החלל. אם הייתם מניחים את הבסיס המעוגל של יין על דף של ספר, הכוס הייתה מעוותת את נקודת המבט שלכם על המילים שמאחוריה. באופן דומה, חומר בקו הראייה של הטלסקופ יוצר עדשה המכופפת את אור ה-CMB ואת נקודת המבט שלנו עליו. אלברט איינשטיין תיאר עיוות זה במארג המרחב-זמן בתורת היחסות הכללית שלו.
מדידות של העיוות הזה מכילות רמזים על היקום המוקדם ותעלומות כמו חומר אפל, מרכיב בלתי נראה של הקוסמוס. "קשה לזהות חומר אפל, כי הוא לא מגיב עם אור או צורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית. נכון לעכשיו, אנו יכולים לצפות בו רק באמצעות אינטראקציות כבידתיות", אמר פאן.
מדענים חוקרים את ה-CMB מאז התגלה בשנות ה-60 של המאה הקודמת, וצופים בו באמצעות טלסקופים הן על הקרקע והן בחלל. על אף שהניתוח החדש ביותר משתמש רק בכמה חודשים של נתוני SPT-3G משנת 2018, מדידת העידוש הכבידתי כבר תחרותית בתחום.
"אחד החלקים המרגשים באמת במחקר הזה הוא שהתוצאה מגיעה מנתונים מהתקופה שבה רק התחלנו תצפיות עם SPT-3G - והתוצאה כבר נהדרת", אמרה איימי בנדר, פיזיקאית ב'ארגון' ואחת ממחברות המאמר. "יש לנו עוד חמש שנים של נתונים שאנחנו עובדים על ניתוח עכשיו, אז זה רק מרמז על העתיד לבוא."
כיווני מחקר עתידיים מבטיחים
האטמוספירה היבשה והיציבה ומיקומו המרוחק של טלסקופ הקוטב הדרומי יוצרים הפרעה מועטה ככל האפשר בעת חיפוש אחר תבניות CMB. עם זאת, נתונים ממצלמת SPT-3G הרגישה ביותר מכילים זיהום מהאטמוספירה, כמו גם מהגלקסיה שלנו וממקורות חוץ-גלקטיים. ניתוח אפילו כמה חודשים של נתונים מ- SPT-3G הוא משימה שנמשכת שנים, שכן החוקרים צריכים לאמת נתונים, לסנן רעש ולפרש מדידות. הצוות השתמש באשכול ייעודי מחשבים, במרכז משאבי המחשוב של מעבדת 'ארגון' כדי להריץ חלק מהחישובים עבור המחקר.
"מצאנו כי דפוסי העידוש הנצפים במחקר זה מוסברים היטב על-ידי תורת היחסות הכללית", אמר פאן. "זה מצביע על כך שההבנה הנוכחית שלנו של כוח הכבידה נכונה עבור קני מידה גדולים אלה. התוצאות גם מחזקות את ההבנה הקיימת שלנו לגבי האופן שבו מבנים של חומר נוצרו ביקום שלנו."
נתונים ממפות עדשה SPT-3G משנים נוספות יסייעו גם בחקירת האינפלציה הקוסמית, או הרעיון שהיקום המוקדם עבר התפשטות אקספוננציאלית מהירה. אינפלציה קוסמית היא "אבן פינה נוספת של הקוסמולוגיה", ציין פאן, "ומדענים מחפשים סימנים לגלי כבידה מוקדמים וראיות ישירות אחרות לתיאוריה זו. נוכחותו של עידוש כבידתי יוצרת הפרעה לטביעות אינפלציוניות, המחייבות הסרת זיהום כזה, אותו ניתן לחשב באמצעות מדידות עדשה מדויקות."
בעוד שחלק מהתוצאות מנתוני SPT-3G החדשים יחזקו את הידע הקיים, אחרות יעלו שאלות חדשות.
"בכל פעם שאנחנו מוסיפים עוד נתונים, אנחנו מוצאים עוד דברים שאנחנו לא מבינים", אמר בנדר, שמחזיק במינוי משותף באוניברסיטת שיקגו. "ככל שאתה מקלף שכבות של הבצל הזה, אתה לומד יותר ויותר על המכשיר שלך וגם על המדידה המדעית שלך של השמים."
"כל-כך מעט ידוע על המרכיבים הבלתי נראים של היקום, שכל הבנה שהושגה היא קריטית", אמר פאן: "ככל שאנו לומדים יותר על התפלגות החומר האפל, כך אנו מתקרבים להבנת טבעו ותפקידו ביצירת היקום בו אנו חיים כיום."
עוד בנושא באתר הידען: