Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Để giải quyết các phép đo lộn xộn của mạng lưới vũ trụ kết nối vật chất trong vũ trụ, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách để cải thiện độ chính xác và rõ ràng của các phép đo này dựa trên sự kéo dài của ánh sáng lâu đời nhất của vũ trụ.
Ánh sáng sớm nhất được biết đến trong vũ trụ của chúng ta được gọi là nền vi sóng vũ trụ, được phát ra khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn. Việc tạo ra ánh sáng di tích này nắm giữ nhiều manh mối quan trọng cho sự phát triển và phân phối các cấu trúc quy mô lớn như các thiên hà và các cụm thiên hà.
Các biến dạng trong nền vi sóng vũ trụ (CMB) gây ra bởi một hiện tượng gọi là thấu kính có thể chiếu sáng thêm cấu trúc của vũ trụ và thậm chí có thể cho chúng ta biết những điều về vũ trụ bí ẩn và vô hình bao gồm cả năng lượng tối, chiếm khoảng 68% của vũ trụ và chiếm sự mở rộng đang gia tăng của nó, và vật chất tối, chiếm khoảng 27% vũ trụ.
Đặt một ly rượu vang có cuống trên một bề mặt, bạn có thể thấy các hiệu ứng thấu kính có thể đồng thời phóng to, ép và kéo dài tầm nhìn của bề mặt bên dưới nó. Trong thấu kính của CMB, hiệu ứng trọng lực từ các vật thể lớn như các thiên hà và cụm thiên hà uốn cong ánh sáng CMB theo những cách khác nhau. Các hiệu ứng thấu kính này có thể tinh tế (được gọi là thấu kính yếu) đối với các thiên hà nhỏ và các chương trình máy tính có thể xác định chúng vì chúng phá vỡ sự tạo khuôn CMB thông thường.
Tuy nhiên, có một số vấn đề được biết đến với độ chính xác của các phép đo thấu kính và đặc biệt với các phép đo dựa trên nhiệt độ của CMB và các hiệu ứng thấu kính liên quan.
Mặc dù thấu kính có thể là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu vũ trụ vô hình và thậm chí có khả năng giúp chúng ta phân loại các tính chất của các hạt hạ nguyên ma quái như neutrino nhưng vũ trụ vốn là một nơi lộn xộn.
Và giống như lỗi trên kính chắn gió của ô tô trong một quãng đường dài, khí và bụi xoáy trong các thiên hà khác, trong số các yếu tố khác có thể che khuất tầm nhìn của chúng ta và dẫn đến việc đọc sai ống kính CMB.
Có một số công cụ lọc giúp các nhà nghiên cứu hạn chế hoặc che giấu một số hiệu ứng này nhưng những vật cản được biết đến này tiếp tục là một vấn đề lớn trong nhiều nghiên cứu dựa trên các phép đo dựa trên nhiệt độ.
Các nhà khoa học có thể sai và không biết điều đó. Các phương thức hiện tại không hoạt động hoàn hảo – chúng thực sự rất hạn chế.
Để giải quyết vấn đề này, Schaan đã hợp tác với Simone Ferraro, thành viên Phân ban trong Phòng Vật lý của Phòng thí nghiệm Berkeley để phát triển một cách để cải thiện độ rõ và độ chính xác của các phép đo thấu kính CMB bằng cách tính riêng cho các loại hiệu ứng thấu kính khác nhau.
Thấu kính có thể phóng to hoặc làm ngưng trệ mọi thứ. Nó cũng làm biến dạng chúng dọc theo một trục nhất định để chúng bị kéo dài theo một hướng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một chữ ký thấu kính nhất định gọi là ‘cắt’ gây ra sự kéo dài này theo một hướng dường như phần lớn miễn dịch với các hiệu ứng “nhiễu” tiền cảnh gây cản trở dữ liệu thấu kính CMB. Trong khi đó, hiệu ứng thấu kính được gọi là phóng đại có xu hướng bị lỗi do nhiễu nền trước. Nghiên cứu của họ được công bố ngày 8 tháng 5 trên tạp chí Vật lý Đánh giá ghi nhận “giảm đáng kể” trong tỷ lệ lỗi này khi chỉ tập trung vào các hiệu ứng cắt.
Nguồn của thấu kính là những vật thể lớn nằm giữa chúng ta và ánh sáng CMB thường là các nhóm và cụm thiên hà có cấu trúc hình cầu gần như trong bản đồ nhiệt độ và nghiên cứu mới nhất cho thấy sự phát xạ của các dạng khác nhau ánh sáng từ các vật thể “tiền cảnh” này chỉ xuất hiện để bắt chước các hiệu ứng phóng đại trong thấu kính chứ không phải hiệu ứng cắt.
Vì vậy, Chúng ta chỉ dựa vào sự cắt và chúng ta sẽ miễn nhiễm với các hiệu ứng tiền cảnh. Khi chúng ta có nhiều thiên hà trong đó chủ yếu là hình cầu và chúng ta tính trung bình chúng, chúng chỉ làm nhiễm bẩn phần phóng đại của phép đo. Đối với cắt, tất cả các lỗi về cơ bản đều biến mất.
Nó làm giảm tiếng ồn, cho phép các nhà khoa học có được bản đồ tốt hơn. Và họ chắc chắn hơn rằng những bản đồ này là chính xác ngay cả khi các phép đo liên quan đến các thiên hà rất xa như các vật thể thấu kính tiền cảnh.
Phương pháp mới này có thể mang lại lợi ích cho một loạt các thí nghiệm khảo sát bầu trời, các ghi chú nghiên cứu bao gồm các thí nghiệm POLARBEAR-2 và Simons Array, có những người tham gia Berkeley Lab và UC Berkeley; dự án Kính thiên văn vũ trụ Atacama tiên tiến (AdvACT); và Kính thiên văn Nam Cực – Camera 3G (SPT-3G). Nó cũng có thể hỗ trợ Đài quan sát Simons và thí nghiệm CMB thế hệ tiếp theo được đề xuất, được gọi là CMB-S4 – Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley tham gia vào việc lập kế hoạch cho cả hai nỗ lực này.
Phương pháp này cũng có thể nâng cao năng suất khoa học từ các cuộc khảo sát thiên hà trong tương lai như dự án Thiết bị quang phổ năng lượng tối (DESI) do Berkeley Lab dẫn đầu đang được xây dựng gần Tucson, Arizona và dự án Kính viễn vọng khảo sát khái quát lớn (LSST) đang được xây dựng ở Chile thông qua phân tích dữ liệu từ các khảo sát bầu trời và dữ liệu thấu kính CMB.
Các bộ dữ liệu ngày càng lớn từ các thí nghiệm vật lý thiên văn đã dẫn đến sự phối hợp nhiều hơn trong việc so sánh dữ liệu giữa các thí nghiệm để cung cấp kết quả có ý nghĩa hơn. “Những ngày này, sự phối hợp giữa các khảo sát của CMB và thiên hà là một vấn đề lớn”.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã dựa vào dữ liệu CMB trên bầu trời mô phỏng. Họ đã sử dụng các nguồn tài nguyên tại Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) của Berkeley Lab để kiểm tra phương pháp của họ trên mỗi bốn nguồn nhiễu phía trước khác nhau bao gồm các hiệu ứng hồng ngoại, tần số vô tuyến, nhiệt và tương tác điện tử có thể làm nhiễm bẩn các phép đo thấu kính CMB.
Nghiên cứu lưu ý rằng nhiễu nền hồng ngoại vũ trụ và nhiễu từ sự tương tác giữa các hạt ánh sáng CMB (photon) với các electron năng lượng cao là những nguồn gây khó khăn nhất để giải quyết bằng các công cụ lọc tiêu chuẩn trong các phép đo CMB. Một số thí nghiệm CMB hiện tại và tương lai tìm cách giảm bớt các hiệu ứng này bằng cách thực hiện các phép đo chính xác về độ phân cực hoặc định hướng của chữ ký ánh sáng CMB thay vì nhiệt độ của nó.
Các nhà nghiên cứu không thể thực hiện dự án này mà không có cụm máy tính như NERSC. NERSC cũng tỏ ra hữu ích trong việc phục vụ các mô phỏng vũ trụ khác để giúp chuẩn bị cho các thí nghiệm sắp tới như DESI.
Phương pháp được phát triển bởi Schaan và Ferraro đã được triển khai trong phân tích dữ liệu của các thí nghiệm hiện tại. Một ứng dụng khả thi là phát triển trực quan chi tiết hơn về các sợi và nút vật chất tối xuất hiện để kết nối vật chất trong vũ trụ thông qua một mạng lưới vũ trụ phức tạp và thay đổi.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Lawrence Berkeley . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :