天文学家从大爆炸中检测到遗物辐射中的微妙扭曲

天文学家从大爆炸中检测到遗物辐射中的微妙扭曲

这幅插图显示了宇宙微波背景(CMB)中的光子在穿越宇宙时如何被大规模宇宙结构的引力透镜效应所偏转。版权所有:欧空局和普朗克合作组织

天文学家利用国家科学基金会南极望远镜和ESA的HelsEL空间天文台的数据首次探测到宇宙微波背景中的细微扭曲,为揭示宇宙存在的第一时刻铺平了道路。

宇宙学家首次在宇宙微波背景(CMB)中发现了一种寻找已久的成分。这种被称为b模偏振的成分是由引力透镜效应引起的,引力透镜效应是光在穿越宇宙时被巨大结构所弯曲。这一结果是基于南极望远镜和欧空局赫歇尔空间天文台的数据组合得出的。这是一个里程碑式的发现,在偏振CMB中可能发现另一种b模信号-由引力波宇宙开始后不到一秒钟。

宇宙微波背景是最古老的光线,几乎无法穿过宇宙,它包含有关宇宙的起源和性质的丰富信息。在旅途中,来自CMB的光子遇到了多种星系和星系集群,并且已经被这些大浓度的物质偏转。

这种被称为引力透镜效应的现象,在CMB模式上留下了微妙的变形,CMB编码了宇宙中大规模结构分布的细节。近年来,宇宙学家利用地基和空间实验的数据,包括使用欧空局的普朗克卫星获得的这一效应的第一张全天空图像,探测到了CMB温度上引力透镜效应的特征。

CMB的一小部分是极化的,并且重力透镜也影响信号的这一部分。事实上,极化的CMB是一种额外的甚至更丰富的宝库,而不是用于探索宇宙的过去的非偏振信号。现在,研究偏振CMB的宇宙科学家团队已经检测到引力透镜的签名,打开新的和令人兴奋的可能性,以研究宇宙中物质的分布。该结果也是CMB偏振的难以捉摸的第二分量的第一次检测 - 长寻求的B模式。

宇宙学家检测宇宙微波背景中的长寻求组件

CMB偏振中的E-MODES和B模式(分别为左和右板)和大规模分布的重力电位是透镜的CMB(中央面板)。版权所有:来自D. Hanson等的图像,2013年,物理评论信

这项研究是基于SPTPOL数据、美国国家科学基金会南极望远镜(SCT)上的极化敏感接收器和ESA的Hel谢耳空间观测站上的Spure仪器。SPT是一台位于南极洲的地基望远镜,用于在南部天空的一小块区域以极高的角度分辨率观测CMB。

“CMB是部分偏振的:这意味着它携带额外的方向信息,比如可以用偏光眼镜观察到的光,”来自帕萨迪纳加州理工大学和厄本那香槟分校的Joaquin Vieira解释说。美国维埃拉领导的赫歇尔调查促成了这一结果。

“我们在偏振光中观察到的模式可以分为两种不同的成分:我们称之为E模式和B模式。在CMB极化的情况下,这两个组成部分携带着关于早期和晚期宇宙的非常不同和互补的信息。”

宇宙微波背景辐射(CMB)是早期宇宙发出的光,当它首次对辐射变得透明时,大约是38万年后大爆炸。CMB的温度和极化的温度存在波动,这表示该时期的密度和压力的微小差异。CMB的极化具有与返回早期宇宙的e-and b模式的独特模式。但是这种图案,特别是B模式分量的强度,随着偏振的CMB传播在宇宙中的偏振CMB而进行了大量的变化。

“当引力透镜扭曲极化CMB光子时,它会将部分E模式转换为B模式,”维埃拉解释道。

只有一小部分CMB是极化的,所以它是一个非常微弱的信号,极难检测。CMB偏振的e模分量比b模分量的强度更强,它在2002年首次被地面角度尺度干涉仪(DASI)观测到,并在接下来的几年里进行了各种各样的实验。b模式是一种非常微弱的信号,直到现在还没有被探测到。

“在我们的研究中,我们将SPT观测到的极化CMB与赫歇尔的独立数据相结合。这项技术让我们最终发现了由引力透镜引起的b模,”维埃拉评论道。

宇宙学家在SPT的数据中检测到了由于引力透镜效应而产生的B模式信号。为了使他们的探测更加可靠,他们增加了来自赫歇尔的补充观测,以追踪导致透镜效应的星系的大规模分布。

天文学家用SPT和Herschel观测宇宙微波背景

SPT观测到的宇宙微波背景(左)和Herschel观测到的宇宙红外背景(右)。版权所有:图片来源于G。Holder等人,2013,《天体物理学杂志快报》,771,L16

维埃拉说:“赫歇尔为我们提供了一个很好的数据集来重建扭曲CMB的星系的引力势。”。

“包括我们分析中的HERSCHEL数据使SPTPOL数据对乐器效果敏感,并且是隔离镜头引起的B模式信号的关键。”

由于其广泛的光谱覆盖范围从远红外到亚毫米波长,赫歇尔是敏感的宇宙红外背景(CIB)。与宇宙微波背景辐射(CMB)不同的是,宇宙微波背景辐射是早期宇宙的漫射光,而CIB是一个累积的背景,是在宇宙大爆炸数亿年后开始的恒星和星系形成时产生的。

虽然恒星主要以紫外线波长发光,但在整个宇宙时代,大约一半的能量被星系内的宇宙尘埃吸收;这种冷尘埃以更长的远红外波长对星光进行再辐射。因此,CIB概括了恒星形成的宇宙历史。

星系倾向于聚集在星系团中,这些星系团嵌入在暗物质晕中,而这些暗物质和普通物质的大量聚集正是CMB引力透镜的原因。由于这个原因,引力透镜的CMB和赫歇尔探测到的CIB之间有很强的相关性,因为后者追踪导致偏转的透镜。通过定位天空中存在更多(或更少)星系的点,赫歇尔数据中包含的额外信息使研究小组能够更清楚地看到引力透镜效应。

天文学家观察引力透镜效应对CMB的影响

这张图像显示了宇宙中物质大规模分布的密度,如沿视线投影所见,并使用两种不同类型的数据进行估计。版权所有:图片来源于G。Holder等人,2013,《天体物理学杂志快报》,771,L16

第一个结果在重力透镜CMB的研究中打开了一个新的时代。到目前为止,宇宙学家已经成功地研究了CMB温度的重力透镜,但这种信号受到大程度的内在噪声,并且在最佳电流结果上显着改善。研究重力透镜在极化CMB中的效果,预计将提供一种更清洁的物质分布探针,导致镜头。

“极化是CMB引力透镜研究未来的关键,”加拿大蒙特勒尔麦吉尔大学的邓肯·汉森评论道,他是报告这一发现的论文的第一作者。

“这一领域目前正处于早期阶段,但随着我们收集越来越多的数据,我们将能够以更高的精度研究物质的大规模分布。”

该研究基于与SPTPOL的观察结果与SPTPOL一起与大型天空的HESCHEL数据,测量100平方度,与SPTPOL进行的调查重叠。

“很高兴看到这种巧妙的使用Herschel数据在实现CMB极化中的第一次检测的B形模式时,这是大约一千万的一个水平的波动,”英国ESA的赫尔希尔项目科学家招聘意见。

“这项工作显示了可用的Herschel数据的宝库形象的另一个使用,”他补充道。

除了在引力透镜中的应用外,B模式的发现是一个里程碑,因为它证明了探测这种信号是可能的。在世界范围内,宇宙学家仍在利用包括SPT和普朗克在内的实验寻找一种不同类型的B模式,即原始引力波产生的B模式。宇宙学家认为,宇宙起源于一个非常早期的加速膨胀阶段,即所谓的膨胀。在这一非常迅速的阶段,宇宙的大小呈指数级增长,人们认为引力波也产生了。

“引力波是时空织物中的涟漪,我们认为在通胀期间产生的那些在CMB极化的B模式分量中留下了印记,”解释了Kavli宇宙物理研究所的斯蒂芬霍弗这芝加哥大学,美国。

发现这样的信号将为研究早期宇宙和暴涨提供重要信息。然而,探测由原始引力波引起的b模可能会被证明更加复杂,因为它们被认为具有与引力透镜引起的非常不同的性质。由于原始b模在比本研究中探测到的更大的角度尺度上变得明显,宇宙学家需要在更大的天空区域扫描和分析信号。此外,宇宙学家仍然对他们所寻找的信号的振幅和形状一无所知,因为许多理论上的不确定性仍在困扰着膨胀。

“事实上,我们能够在CMB偏振中检测到b模式是一个巨大的实验成功。维埃拉总结说:“我们都渴望知道,这是否会导致更令人兴奋的原始引力波发现。”

出版物

研究报告的PDF副本

图片:欧空局与普朗克合作;DHanson等人,2013年,《物理评论快报》;GHolder等人,2013,《天体物理学杂志快报》,771,L16

3评论关于“天文学家探测到大爆炸遗留辐射的细微扭曲”

  1. 史蒂夫·莫图尔|2013年10月2日上午11:58|回复

    这篇论文和其他论文一起试图证明质子的运动速度比光速要慢!据报道,它还能显示我们宇宙的起源!光的快速传播就到此为止吧!它早就应该在我们的可见范围之外了!当我读到这样的论文时,我觉得有些人无法接受无限的现实主义或接受什么是无限!…哦

    • 说得好!我从所展示的图像中得到的是,他们喜欢称之为“早期宇宙”的光和物质的分布是如此均匀,毫无疑问,这证明了“大爆炸”从未发生过,正如人们期望在图像中看到的那样,这样一个灾难性事件发生在时空的某个点上。到目前为止,CMB图像提供的数据中没有任何一个表明辐射向任何一个点或远离任何一个点的任何集中或分散,这绝对破坏了宇宙是由任何奇点创造出来的任何印象!

      这只不过是一项分心的练习,旨在让每个人都在寻找什么不在那里,而不是接受血腥显而易见!

  2. 引力“透镜效应”是一种经典现象,它是暗物质通过引力波从遥远的星系中分离出的光的棱镜所观察到的。然而,宇宙微波回绕和宇宙红外回绕的CMB或CIB是在初始伽马射线、紫外线和来自大爆炸的光线通过多普勒效应衰减之后产生的。本文还将CMB的“透镜效应”视为极化效应。这证明了最初形成的大量星系,包括暗物质,通过它们的引力波扭曲了大爆炸发出的光。引力波只有在宇宙中物质聚集和暗物质形成之后才开始出现。让我们更进一步,找到E-M波、引力波、强力或颜色力的诞生顺序,并评估宇宙中所有逃避的暗物质和暗能量。谢谢。

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