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

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

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

Hay algunos problemas conocidos con la precisión de las mediciones de lentes, aunque, y particularmente con las mediciones basadas en la temperatura del CMB y los efectos de lente asociados.

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

Y como insectos en el parabrisas de un automóvil durante un viaje largo, el gas y el polvo arremolinándose en otras galaxias, entre otros factores, puede oscurecer nuestra vista y dar lugar a lecturas defectuosas de la lente del 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 CMB basados ​​en la temperatura pueden dar lugar a mediciones de lentes erróneas. dijo Emmanuel Schaan, investigador postdoctoral y becario postdoctoral Owen Chamberlain en la División de Física del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab).

"Puedes equivocarte y no saberlo, ", Dijo Schaan." Los métodos existentes no funcionan perfectamente, son realmente limitantes ".

Para abordar este problema, Schaan se asoció con Simone Ferraro, becario de división en la división de física de Berkeley Lab, Desarrollar una forma de mejorar la claridad y precisión de las mediciones de lentes CMB contabilizando por separado los diferentes tipos de efectos de lentes.

"El uso de lentes puede magnificar o demagnificar cosas. También las distorsiona a lo largo de un eje determinado para que se estiren en una dirección, "Dijo Schaan.

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

Las fuentes de la lente, que son objetos grandes que se interponen entre nosotros y la luz CMB, son típicamente grupos y cúmulos de galaxias que tienen un perfil más o menos esférico en los mapas de temperatura, Ferraro señaló, y el último estudio encontró que la emisión de varias formas de luz de estos objetos de "primer plano" sólo parece imitar los efectos de aumento en las lentes, pero no los efectos de cizallamiento.

"Así que 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 los promedias, solo contaminan la parte de aumento de la medición. Para cizalla, básicamente todos los errores se han ido ".

Él agregó, "Reduce el ruido, permitiéndonos 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 en primer plano.

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

El método también podría mejorar el rendimiento científico de futuros estudios de galaxias como el proyecto de Instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) dirigido por Berkeley Lab, que se está construyendo cerca de Tucson. Arizona, y el proyecto Large Synoptic Survey Telescope (LSST) en construcción en Chile, a través de análisis conjuntos de datos de estos levantamientos del cielo y los datos de lentes de CMB.

Los conjuntos de datos cada vez más grandes de experimentos astrofísicos han llevado a una mayor coordinación en la comparación de datos entre experimentos para proporcionar resultados más significativos. "Estos días, las sinergias entre CMB y los estudios de galaxias son un gran problema, "Dijo Ferraro.

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

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

"No podríamos haber realizado este proyecto sin un clúster informático como NERSC, ", Dijo Schaan. NERSC también ha demostrado ser útil para ofrecer otras simulaciones del universo para ayudar a prepararse para los próximos experimentos como DESI.

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

Los investigadores informaron una recepción positiva a su método recién introducido.

"Este era un problema sobresaliente en el que mucha gente había pensado, ", Dijo Ferraro." Estamos felices de encontrar soluciones elegantes ".