La luz más antigua conocida en nuestro universo, conocida como el fondo cósmico de microondas, se emitió unos 380,000 años después del Big Bang. El patrón de esta luz reliquia contiene muchas pistas importantes para el desarrollo y la distribución de estructuras a gran escala, como galaxias y cúmulos de galaxias.

Las distorsiones en el fondo cósmico de microondas (CMB), causadas por un fenómeno conocido como lente, pueden iluminar aún más la estructura del universo e incluso pueden decirnos cosas sobre el universo misterioso e invisible, incluida la energía oscura, que constituye aproximadamente el 68 por ciento. del universo y explica su expansión acelerada, y la materia oscura, que representa alrededor del 27 por ciento del universo.

Coloque una copa de vino con tallo en una superficie, y podrá ver cómo los efectos de lente pueden ampliar, comprimir y estirar simultáneamente la vista de la superficie debajo de ella. En la lente del CMB, los efectos de la gravedad de objetos grandes como galaxias y cúmulos de galaxias desvían la luz CMB de diferentes maneras. Estos efectos de lentes pueden ser sutiles (conocidos como lentes débiles) para galaxias distantes y pequeñas, y los programas de computadora pueden identificarlos porque interrumpen el patrón regular de CMB.

Sin embargo, hay algunos problemas conocidos con la precisión de las mediciones de lente, y en particular con las mediciones basadas en la temperatura del CMB y los efectos de lente asociados.

Si bien la lente puede ser una herramienta poderosa para estudiar el universo invisible, e incluso podría ayudarnos a resolver las propiedades de las partículas subatómicas fantasmales como los neutrinos, el universo es un lugar intrínsecamente desordenado.

Y al igual que los errores en el parabrisas de un automóvil durante un largo viaje, el gas y el polvo que se arremolinan en otras galaxias, entre otros factores, pueden oscurecer nuestra visión y dar lugar a lecturas erróneas de la lente de CMB.

Existen algunas herramientas de filtrado que ayudan a los investigadores a limitar o enmascarar algunos de estos efectos, pero estas obstrucciones conocidas continúan siendo un problema importante en los muchos estudios que se basan en mediciones basadas en la temperatura.

Los efectos de esta interferencia con los estudios de CMB basados ​​en la temperatura pueden llevar a mediciones erróneas de lentes, dijo Emmanuel Schaan, investigador postdoctoral y becario postdoctoral Owen Chamberlain en la División de Física del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Departamento de Energía) del Departamento de Energía.

"Puedes estar equivocado y no saberlo", dijo Schaan. "Los métodos existentes no funcionan perfectamente, son realmente limitantes".

Para abordar este problema, Schaan se unió a Simone Ferraro, un miembro de la División en la División de Física del Laboratorio de Berkeley, para desarrollar una manera de mejorar la claridad y precisión de las mediciones de lente de CMB al contabilizar por separado los diferentes tipos de efectos de lente.

"La lente puede magnificar o desmagnificar cosas. También las distorsiona a lo largo de un cierto eje para que se estiren en una dirección", dijo Schaan.

Los investigadores encontraron que una cierta firma de lentes llamada cizallamiento, que causa este estiramiento en una dirección, parece en gran medida inmune a los efectos de "ruido" de primer plano que de otra manera interfieren con los datos de lentes de CMB. El efecto de lente conocido como ampliación, mientras tanto, es propenso a errores introducidos por el ruido de primer plano. Su estudio, publicado el 8 de mayo en la revista. Letras de revisión física, observa una "reducción dramática" en este margen de error cuando se enfoca únicamente en los efectos de cizallamiento.

Las fuentes de los lentes, que son objetos grandes que se interponen entre nosotros y la luz CMB, son típicamente grupos de galaxias y agrupaciones que tienen un perfil aproximadamente esférico en los mapas de temperatura, anotó Ferraro, y el último estudio encontró que la emisión de varias formas de La luz de estos objetos de "primer plano" solo parece imitar los efectos de ampliación en el lente, pero no los efectos de corte.

"Entonces dijimos: 'Confiemos solo en la cizalla y seremos inmunes a los efectos de primer plano' ', dijo Ferraro. "Cuando tienes muchas de estas galaxias que son en su mayoría esféricas, y las promedias, solo contaminan la parte de aumento de la medida. Para el cizallamiento, todos los errores básicamente han desaparecido".

Añadió: "Reduce el ruido, lo que nos permite obtener mejores mapas. Y estamos más seguros de que estos mapas son correctos", incluso cuando las mediciones involucran galaxias muy distantes como objetos de lente de primer plano.

El nuevo método podría beneficiar a una variedad de experimentos de levantamiento del cielo, señalan las notas del estudio, incluidos los experimentos POLARBEAR-2 y Simons Array, que tienen participantes en Berkeley Lab y UC Berkeley; el proyecto del Telescopio de Cosmología Avanzada de Atacama (AdvACT); y el telescopio del Polo Sur – cámara 3G (SPT-3G). También podría ayudar al Observatorio Simons y al experimento CMB multilocalización de próxima generación propuesto, conocido como CMB-S4. Los científicos del Laboratorio de Berkeley están involucrados en la planificación de ambos esfuerzos.

El método también podría mejorar el rendimiento científico de futuras prospecciones de galaxias como el proyecto del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) liderado por Berkeley Lab, cerca de Tucson, Arizona, y el proyecto del Telescopio de Levantamiento Sinóptico Grande (LSST) en construcción en Chile, a través de proyectos conjuntos. análisis de los datos de estas encuestas de cielo y los datos de lente de CMB.

Los conjuntos de datos cada vez más grandes de los experimentos de astrofísica han llevado a una mayor coordinación en la comparación de datos a través de experimentos para proporcionar resultados más significativos. "En estos días, las sinergias entre las encuestas de CMB y galaxias son un gran problema", dijo Ferraro.

En este estudio, los investigadores se basaron en datos de CMB de cielo completo simulados. Utilizaron recursos en el Centro de Computación Científica Científica Nacional de Investigación de Energía de Berkeley Lab (NERSC) para probar su método en cada una de las cuatro fuentes diferentes de ruido de primer plano, que incluyen efectos infrarrojos, de radiofrecuencia, térmicos y de interacción de electrones que pueden contaminar las mediciones de lentes de CMB.

El estudio señala que el ruido de fondo infrarrojo cósmico y el ruido de la interacción de las partículas de luz (fotones) de CMB con los electrones de alta energía han sido las fuentes más problemáticas para abordar el uso de herramientas de filtrado estándar en las mediciones de CMB. Algunos experimentos de CMB existentes y futuros buscan disminuir estos efectos tomando medidas precisas de la polarización u orientación de la firma luminosa de CMB en lugar de su temperatura.

"No podríamos haber hecho este proyecto sin un clúster de computación como NERSC", dijo Schaan. NERSC también ha demostrado ser útil para presentar otras simulaciones de universos para ayudar a prepararse para futuros experimentos como DESI.

El método desarrollado por Schaan y Ferraro ya se está implementando en el análisis de los datos de experimentos actuales. Una posible aplicación es desarrollar visualizaciones más detalladas de filamentos de materia oscura y nodos que parecen conectar la materia en el universo a través de una red cósmica compleja y cambiante.

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