Ensimmäistä kertaa maapallolla sijaitsevalla teleskoopilla toimivat astronomit havaitsivat polarisoitunutta mikroaaltovaloa maailmankaikkeuden varhaisimmalta ajalta. Havainnot voivat auttaa heitä ymmärtämään paremmin maailmankaikkeuden kehitystä.
Ensimmäistä kertaa maassa sijaitsevia teleskooppeja käyttävät tutkijat ovat nähneet kosmisen aamunkoiton – yli 13 miljardia vuotta sitten, kun ensimmäisten tähtien valo alkoi muuttaa universumimme ulkonäköä.
Tämän muinaisen aikakauden jäljellä oleva valo on aallonpituudeltaan muutamia millimetrejä ja erittäin heikkoa, mikä tarkoittaa, että vaikka avaruusobservatoriot pystyivätkin näkemään sen, signaali vaimenee maapallon ilmakehän sähkömagneettisessa säteilyssä ennen kuin maassa olevat teleskoopit ehtivät havaita alkuperäisen valon.
Nyt kuitenkin Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) -projektin tutkijat ovat löytäneet jälkiä, jotka ensimmäiset tähdet ovat jättäneet taustavaloon Suuresta alkuräjähdyksestä. He julkaisivat tuloksensa 11. kesäkuuta The Astrophysical Journal -lehdessä.
”Ihmiset ajattelivat, että se on mahdotonta maasta käsin”, sanoi Tobias Marridge, tutkimuksen toinen kirjoittaja, CLASS-projektin johtaja ja fysiikan ja astronomian professori Johns Hopkinsin yliopistossa, lausunnossaan. ”Astronomia on teknologian ohjaama ala, ja mikroaaltosignaalit kosmisen aamunkoitosta ovat tunnetusti vaikeasti mitattavissa. Maasta käsin tehtävät havainnot aiheuttavat lisäongelmia verrattuna avaruudesta tehtäviin havaintoihin. Näiden esteiden voittaminen tekee tästä mittauksesta suuren saavutuksen.”
CLASS-observatorio sijaitsee 5138 metrin korkeudessa Atacaman aavikolla Andien vuoristossa Pohjois-Chilessä. Teleskooppi, joka otettiin ensimmäisen kerran käyttöön vuonna 2016, on suunniteltu tarkkailemaan taivasta mikroaaltotaajuuksilla. Sen lisäksi, että se kartoittaa 75 % yötaivaasta, teleskoopin ennennäkemätön herkkyys mahdollistaa mikroaaltosignaalien vastaanottamisen avaruuden aamunkoitosta tai maailmankaikkeuden ensimmäiseltä miljardilta vuodelta.
Ensimmäisten 380 000 vuoden aikana alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli täynnä elektronipilviä, jotka olivat niin tiheitä, että valo ei päässyt niiden läpi. Lopulta maailmankaikkeutemme laajeni ja jäähtyi, ja elektronit sitoutuivat protonien kanssa muodostaen vetyatomeja.
Nämä vetyatomit eivät vain antaneet mikroaaltotaajuuksilla liikkua vapaasti täyttäen avaruuden kosmisen mikroaaltotaustan (CMB), vaan myös, missä se oli riittävän tiheää, saivat sen romahtamaan painovoiman vaikutuksesta ja syttymään, muodostaen ensimmäiset tähdet. Sitten näiden tähtien valo ionisoi uudelleen irrallisen vetykaasun taskut, jakamalla niiden elektronit niin, että osa niistä törmäsi CMB:n valoon polarisoiden sen.
Signaali tästä polarisoituneesta osasta reliktisäteilystä on avaintekijä kosmologisessa palapelissä; ilman sitä kuvamme varhaisesta maailmankaikkeudesta jää epäselväksi.
Vaikka aiemmat avaruusteleskoopit, kuten NASA:n Wilkinsonin mikroaaltosäteilyn anisotropiasondi (WMAP) ja Euroopan avaruusjärjestön Planck-avaruusteleskooppi , ovat osittain täyttäneet tämän aukon, niiden kuvat olivat kohinaisia, ja koska ne olivat satelliitteja, niitä ei voitu säätää ja parantaa niiden laukaisun jälkeen.
”Tämän reionisaatiosignaalin tarkempi mittaus on merkittävä saavutus kosmisen mikroaaltotaustan tutkimuksessa”, sanoo yhteistekijän Charles Bennett, fysiikan professori Johns Hopkinsin yliopistossa ja WMAP-mission johtaja.
Näiden havaintojen tekemiseksi tutkijat vertasivat CLASS-teleskoopin tietoja Planck- ja WMAP-missioiden tietoihin ja löysivät yhteisen signaalin polarisoituneelle mikroaaltosäteilylle.
”Meille maailmankaikkeus on kuin fyysinen laboratorio. Tarkemmat mittaukset maailmankaikkeudesta auttavat meitä tarkentamaan ymmärrystämme pimeästä aineesta ja neutriinoista, runsaista mutta havaitsemattomista hiukkasista, jotka täyttävät maailmankaikkeuden”, Bennett lisäsi. ”Analysoimalla CLASS-satelliitin lisätietoja tulevaisuudessa toivomme saavuttavamme mahdollisimman suuren tarkkuuden.”
