För första gången har forskare använt jordbaserade teleskop för att blicka tillbaka över 13 miljarder år och se hur de första stjärnorna i universum påverkar ljuset som avges från Big Bang.
Med hjälp av teleskop högt uppe i Anderna i norra Chile har astrofysiker mätt detta polariserade mikrovågs-ljus för att skapa en tydligare bild av en av de minst förstådda epokerna i universums historia, den kosmiska gryningen.
”Man trodde att detta inte kunde göras från marken. Astronomi är ett teknikbegränsat område, och mikrovågssignaler från den kosmiska gryningen är kända för att vara svåra att mäta”, säger Tobias Marriage, projektledare och professor i fysik och astronomi vid Johns Hopkins University. ”Markbaserade observationer står inför ytterligare utmaningar jämfört med rymden. Att övervinna dessa hinder gör denna mätning till en betydande prestation.”
Kosmiska mikrovågor har en våglängd på bara några millimeter och är mycket svaga. Signalen från polariserat mikrovågsljus är ungefär en miljon gånger svagare. På jorden kan radiovågor, radar och satelliter överrösta signalen, medan förändringar i atmosfären, vädret och temperaturen kan förvränga den. Även under perfekta förhållanden krävs extremt känslig utrustning för att mäta denna typ av mikrovågor.
Forskare från det amerikanska forskningsrådet National Science Foundations projekt Cosmology Large Angular Scale Surveyor, eller CLASS, använde teleskop som är speciellt konstruerade för att upptäcka spår efter de första stjärnorna i det kvarvarande ljuset från Big Bang – en bedrift som tidigare endast hade åstadkommits med hjälp av teknik som använts i rymden, såsom den amerikanska National Aeronautics and Space Administration Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) och Europeiska rymdorganisationens rymdteleskop Planck.
Den nya forskningen, som leds av Johns Hopkins University och University of Chicago, publiceras i The Astrophysical Journal.
Genom att jämföra data från CLASS-teleskopet med data från rymduppdragen Planck och WMAP identifierade forskarna störningar och kunde ringa in en gemensam signal från det polariserade mikrovågsljuset.
Polarisering uppstår när ljusvågor träffar något och sedan sprids.
”När ljus träffar motorhuven på din bil och du ser en bländning är det polarisation. För att se tydligt kan du sätta på polariserade glasögon för att ta bort bländningen”, säger försteförfattaren Yunyang Li, som var doktorand vid Johns Hopkins och sedan forskare vid University of Chicago under forskningen.
”Med hjälp av den nya gemensamma signalen kan vi bestämma hur mycket av det vi ser som är kosmisk bländning från ljus som studsar mot huven på den kosmiska gryningen, så att säga.”
Efter Big Bang var universum en dimma av elektroner som var så tät att ljusenergin inte kunde ta sig ut. När universum expanderade och svalnade fångade protoner elektronerna och bildade neutrala väteatomer, och mikrovågsstrålning kunde då fritt färdas genom rymden mellan dem. När de första stjärnorna bildades under den kosmiska gryningen slet deras intensiva energi elektronerna från väteatomerna. Forskargruppen mätte sannolikheten för att en foton från Big Bang skulle stöta på en av de frigjorda elektronerna på sin väg genom molnet av joniserad gas och avvika från sin bana.
Resultaten kommer att bidra till att bättre definiera signaler som kommer från den kvarvarande glöden från Big Bang, eller den kosmiska mikrovågsbakgrunden, och ge en tydligare bild av det tidiga universum.
”Att mäta denna reioniseringssignal mer exakt är en viktig gräns för forskningen om kosmisk mikrovågsbakgrund”, säger Charles Bennett, Bloomberg Distinguished Professor vid Johns Hopkins, som ledde WMAP-rymduppdraget. ”För oss är universum som ett fysiklaboratorium. Bättre mätningar av universum hjälper oss att förfina vår förståelse av mörk materia och neutriner, partiklar som finns i överflöd men är svåra att upptäcka och som fyller universum. Genom att analysera ytterligare CLASS-data framöver hoppas vi nå högsta möjliga precision.”
De nya resultaten bygger på forskning som publicerades förra året, där CLASS-teleskopen användes för att kartlägga 75 % av natthimlen, och bidrar till att befästa CLASS-teamets strategi.
”Inget annat markbaserat experiment kan göra det som CLASS gör”, säger Nigel Sharp, programdirektör vid NSF:s avdelning för astronomiska vetenskaper, som har stöttat CLASS-instrumentet och forskarteamet sedan 2010. ”CLASS-teamet har avsevärt förbättrat mätningen av den kosmiska mikrovågspolarisationen, och detta imponerande framsteg är ett bevis på det vetenskapliga värde som NSF:s långsiktiga stöd har gett.”
CLASS-observatoriet är verksamt i Parque Astronómico Atacama i norra Chile under överinseende av Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo.
Mer information: A Measurement of the Largest-Scale CMB E-mode Polarization with CLASS, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adc723
