A primeira luz conhecida em nosso universo, conhecido como fundo de micro-ondas cósmico, foi emitido cerca de 380, 000 anos após o Big Bang. A padronização desta luz relíquia contém muitas pistas importantes para o desenvolvimento e distribuição de estruturas de grande escala, como galáxias e aglomerados de galáxias.

Distorções na radiação cósmica de fundo (CMB), causado por um fenômeno conhecido como lente, pode iluminar ainda mais a estrutura do universo e pode até mesmo nos dizer coisas sobre o misterioso, universo invisível, incluindo a energia escura, que compõe cerca de 68 por cento do universo e é responsável por sua expansão acelerada, e matéria escura, que representa cerca de 27 por cento do universo.

Coloque uma taça de vinho com haste em uma superfície, e você pode ver como os efeitos de lente podem ser ampliados simultaneamente, espremer, e esticar a visão da superfície abaixo dela. Na lente do CMB, os efeitos da gravidade de objetos grandes como galáxias e aglomerados de galáxias distorcem a luz CMB de maneiras diferentes. Esses efeitos de lente podem ser sutis (conhecidos como lentes fracas) para galáxias distantes e pequenas, e programas de computador podem identificá-los porque eles interrompem o padrão CMB regular.

Existem alguns problemas conhecidos com a precisão das medições de lentes, no entanto, e particularmente com medições baseadas na temperatura do CMB e efeitos de lente associados.

Embora as lentes possam ser uma ferramenta poderosa para estudar o universo invisível, e poderia até mesmo nos ajudar a classificar as propriedades de partículas subatômicas fantasmagóricas como neutrinos, o universo é um lugar inerentemente confuso.

E como insetos no pára-brisa de um carro durante uma longa viagem, o gás e a poeira girando em outras galáxias, entre outros fatores, pode obscurecer nossa visão e levar a leituras incorretas das lentes CMB.

Existem algumas ferramentas de filtragem que ajudam os pesquisadores a limitar ou mascarar alguns desses efeitos, mas essas obstruções conhecidas continuam a ser um grande problema em muitos estudos que se baseiam em medições baseadas na temperatura.

Os efeitos dessa interferência com estudos de CMB baseados em temperatura podem levar a medições errôneas de lentes, disse Emmanuel Schaan, um pesquisador de pós-doutorado e Owen Chamberlain Pós-doutorado na Divisão de Física do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab).

"Você pode estar errado e não saber, "Schaan disse." Os métodos existentes não funcionam perfeitamente - eles são realmente limitantes. "

Para resolver este problema, Schaan se juntou a Simone Ferraro, um Divisional Fellow na Divisão de Física do Berkeley Lab, desenvolver uma maneira de melhorar a clareza e a precisão das medições de lentes CMB considerando separadamente os diferentes tipos de efeitos de lentes.

"A lente pode ampliar ou desmagnificar as coisas. Também as distorce ao longo de um determinado eixo, de forma que elas são esticadas em uma direção, "Schaan disse.

Os pesquisadores descobriram que uma certa assinatura de lente chamada cisalhamento, o que causa esse alongamento em uma direção, parece amplamente imune aos efeitos de "ruído" do primeiro plano que, de outra forma, interferem nos dados de lente CMB. O efeito de lente conhecido como ampliação, Enquanto isso, está sujeito a erros introduzidos pelo ruído de primeiro plano. Seu estudo, publicado em 8 de maio na revista Cartas de revisão física , observa uma "redução dramática" nesta margem de erro ao focar apenas nos efeitos de cisalhamento.

As fontes das lentes, que são grandes objetos que ficam entre nós e a luz CMB, são tipicamente grupos de galáxias e aglomerados que têm um perfil quase esférico em mapas de temperatura, Ferraro observou, e o estudo mais recente descobriu que a emissão de várias formas de luz desses objetos "em primeiro plano" parece apenas imitar os efeitos de ampliação nas lentes, mas não os efeitos de cisalhamento.

"Então nós dissemos, 'Vamos contar apenas com o cisalhamento e seremos imunes aos efeitos de primeiro plano, '"Ferraro disse." Quando você tem muitas dessas galáxias que são em sua maioria esféricas, e você calcula a média deles, eles contaminam apenas a parte de ampliação da medição. Para cisalhamento, todos os erros basicamente desapareceram. "

Ele adicionou, "Reduz o ruído, permitindo-nos obter mapas melhores. E temos mais certeza de que esses mapas estão corretos, "mesmo quando as medições envolvem galáxias muito distantes como objetos de lente de primeiro plano.

O novo método pode beneficiar uma série de experimentos de levantamento do céu, as notas de estudo, incluindo os experimentos POLARBEAR-2 e Simons Array, que têm participantes do Berkeley Lab e da UC Berkeley; o projeto Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); e o Telescópio do Pólo Sul - câmera 3G (SPT-3G). Também poderia ajudar o Observatório Simons e a proposta de próxima geração, experimento CMB multilocal conhecido como CMB-S4 — cientistas do Berkeley Lab estão envolvidos no planejamento de ambos os esforços.

O método também pode aumentar o rendimento científico de pesquisas futuras de galáxias, como o projeto de Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) conduzido pelo Laboratório Berkeley em construção perto de Tucson, Arizona, e o projeto do Large Synoptic Survey Telescope (LSST) em construção no Chile, por meio de análises conjuntas de dados dessas pesquisas do céu e os dados de lentes CMB.

Conjuntos de dados cada vez maiores de experimentos astrofísicos levaram a mais coordenação na comparação de dados entre experimentos para fornecer resultados mais significativos. "Nos dias de hoje, as sinergias entre CMB e levantamentos de galáxias são um grande negócio, "Disse Ferraro.

Neste estudo, os pesquisadores confiaram em dados simulados de CMB de céu completo. Eles usaram recursos do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab para testar seu método em cada uma das quatro diferentes fontes de ruído em primeiro plano, que incluem infravermelho, frequência de rádio, térmico, e efeitos de interação de elétrons que podem contaminar as medições de lentes CMB.

O estudo observa que o ruído de fundo infravermelho cósmico, e o ruído da interação de partículas de luz CMB (fótons) com elétrons de alta energia têm sido as fontes mais problemáticas de abordar usando ferramentas de filtragem padrão em medições CMB. Alguns experimentos de CMB existentes e futuros procuram diminuir esses efeitos, tomando medidas precisas da polarização, ou orientação, da assinatura de luz CMB em vez de sua temperatura.

"Não poderíamos ter feito este projeto sem um cluster de computação como o NERSC, "Schaan disse. O NERSC também se provou útil ao servir outras simulações do universo para ajudar a se preparar para os próximos experimentos como o DESI.

O método desenvolvido por Schaan e Ferraro já está sendo implementado na análise dos dados dos experimentos atuais. Uma aplicação possível é desenvolver visualizações mais detalhadas de filamentos e nós de matéria escura que parecem conectar a matéria no universo por meio de uma teia cósmica complexa e mutante.

Os pesquisadores relataram uma recepção positiva ao método recém-introduzido.

"Este foi um problema notável que muitas pessoas pensaram, "Ferraro disse." Estamos felizes em encontrar soluções elegantes. "