La plus ancienne lumière connue de notre univers, connu sous le nom de fond diffus cosmologique, a été émis environ 380, 000 ans après le Big Bang. La structuration de cette lumière relique contient de nombreux indices importants sur le développement et la distribution de structures à grande échelle telles que les galaxies et les amas de galaxies.

Distorsions dans le fond diffus cosmologique (CMB), causée par un phénomène connu sous le nom de lentille, peut éclairer davantage la structure de l'univers et peut même nous dire des choses sur le mystérieux, univers invisible, y compris l'énergie noire, qui représente environ 68 pour cent de l'univers et explique son expansion accélérée, et la matière noire, qui représente environ 27 pour cent de l'univers.

Poser un verre à pied sur une surface, et vous pouvez voir comment les effets d'objectif peuvent simultanément s'amplifier, presser, et étirer la vue de la surface en dessous. Dans la lentille du CMB, les effets de la gravité des grands objets comme les galaxies et les amas de galaxies courbent la lumière CMB de différentes manières. Ces effets de lentille peuvent être subtils (appelés lentilles faibles) pour les galaxies lointaines et petites, et les programmes informatiques peuvent les identifier car ils perturbent la structuration régulière du CMB.

Il y a quelques problèmes connus avec la précision des mesures de lentilles, bien que, et en particulier avec des mesures basées sur la température du CMB et des effets de lentille associés.

Alors que la lentille peut être un outil puissant pour étudier l'univers invisible, et pourrait même potentiellement nous aider à trier les propriétés de particules subatomiques fantomatiques comme les neutrinos, l'univers est un endroit intrinsèquement désordonné.

Et comme des insectes sur le pare-brise d'une voiture pendant un long trajet, le gaz et la poussière tourbillonnant dans d'autres galaxies, entre autres facteurs, peut obscurcir notre vue et conduire à des lectures erronées de la lentille CMB.

Il existe des outils de filtrage qui aident les chercheurs à limiter ou masquer certains de ces effets, mais ces obstructions connues continuent d'être un problème majeur dans les nombreuses études qui reposent sur des mesures basées sur la température.

Les effets de cette interférence avec les études CMB basées sur la température peuvent conduire à des mesures de lentille erronées, dit Emmanuel Schaan, chercheur postdoctoral et boursier postdoctoral Owen Chamberlain dans la division de physique du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab).

"Vous pouvez vous tromper et ne pas le savoir, " a déclaré Schaan. " Les méthodes existantes ne fonctionnent pas parfaitement, elles sont vraiment limitatives. "

Pour résoudre ce problème, Schaan s'est associé à Simone Ferraro, un membre divisionnaire de la division de physique du Berkeley Lab, développer un moyen d'améliorer la clarté et la précision des mesures de lentilles CMB en tenant compte séparément des différents types d'effets de lentilles.

"L'objectif peut grossir ou dégrossir les choses. Il les déforme également le long d'un certain axe afin qu'ils soient étirés dans une direction, " a déclaré Schaan.

Les chercheurs ont découvert qu'une certaine signature de lentille appelée cisaillement, ce qui provoque cet étirement dans un sens, semble largement immunisé contre les effets de "bruit" de premier plan qui interfèrent autrement avec les données de lentille CMB. L'effet de lentille connu sous le nom de grossissement, pendant ce temps, est sujette aux erreurs introduites par le bruit de premier plan. Leur étude, publié le 8 mai dans la revue Lettres d'examen physique , note une "réduction spectaculaire" de cette marge d'erreur en se concentrant uniquement sur les effets de cisaillement.

Les sources de la lentille, qui sont de gros objets qui se tiennent entre nous et la lumière CMB, sont généralement des groupes et des amas de galaxies qui ont un profil à peu près sphérique dans les cartes de température, Ferraro a noté, et la dernière étude a révélé que l'émission de diverses formes de lumière à partir de ces objets "au premier plan" ne semble imiter que les effets de grossissement de la lentille, mais pas les effets de cisaillement.

"Alors nous avons dit, « Comptons uniquement sur le cisaillement et nous serons à l'abri des effets de premier plan, '", a déclaré Ferraro. "Quand vous avez beaucoup de ces galaxies qui sont pour la plupart sphériques, et vous les moyennez, ils ne contaminent que la partie grossissement de la mesure. Pour le cisaillement, toutes les erreurs ont pratiquement disparu."

Il ajouta, "Ça réduit le bruit, nous permettant d'obtenir de meilleures cartes. Et nous sommes plus certains que ces cartes sont correctes, " même lorsque les mesures impliquent des galaxies très éloignées en tant qu'objets optiques au premier plan.

La nouvelle méthode pourrait bénéficier à une série d'expériences d'arpentage du ciel, les notes d'étude, dont les expériences POLARBEAR-2 et Simons Array, qui ont des participants Berkeley Lab et UC Berkeley; le projet Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT) ; et la caméra 3G du télescope du pôle Sud (SPT-3G). Il pourrait également aider l'Observatoire Simons et le projet de nouvelle génération, Expérience CMB multi-emplacement connue sous le nom de CMB-S4 - Les scientifiques du laboratoire de Berkeley sont impliqués dans la planification de ces deux efforts.

La méthode pourrait également améliorer le rendement scientifique des futures études de galaxies comme le projet d'instrument spectroscopique à énergie sombre (DESI) dirigé par le laboratoire Berkeley en construction près de Tucson, Arizona, et le projet Large Synoptic Survey Telescope (LSST) en construction au Chili, grâce à des analyses conjointes des données de ces relevés du ciel et des données de lentilles du CMB.

Des ensembles de données de plus en plus volumineux provenant d'expériences d'astrophysique ont conduit à une plus grande coordination dans la comparaison des données entre les expériences pour fournir des résultats plus significatifs. "Ces jours, les synergies entre le CMB et les relevés de galaxies sont importantes, " dit Ferraro.

Dans cette étude, les chercheurs se sont appuyés sur des données CMB plein ciel simulées. Ils ont utilisé les ressources du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC) pour tester leur méthode sur chacune des quatre différentes sources de bruit de premier plan, qui incluent l'infrarouge, fréquence radio, thermique, et les effets d'interaction électronique qui peuvent contaminer les mesures de lentilles CMB.

L'étude note que le bruit de fond infrarouge cosmique, et le bruit provenant de l'interaction des particules lumineuses du CMB (photons) avec des électrons à haute énergie ont été les sources les plus problématiques à traiter en utilisant des outils de filtrage standard dans les mesures du CMB. Certaines expériences CMB existantes et futures cherchent à atténuer ces effets en prenant des mesures précises de la polarisation, ou orientation, de la signature lumineuse du CMB plutôt que de sa température.

"Nous n'aurions pas pu réaliser ce projet sans un cluster de calcul comme NERSC, " a déclaré Schaan. Le NERSC s'est également avéré utile pour servir d'autres simulations d'univers pour aider à préparer les expériences à venir comme DESI.

La méthode développée par Schaan et Ferraro est déjà mise en œuvre dans l'analyse des données des expériences en cours. Une application possible consiste à développer des visualisations plus détaillées des filaments et des nœuds de matière noire qui semblent relier la matière dans l'univers via une toile cosmique complexe et changeante.

Les chercheurs ont signalé un accueil positif à leur nouvelle méthode.

"C'était un problème en suspens auquel beaucoup de gens avaient pensé, " Ferraro a déclaré. "Nous sommes heureux de trouver des solutions élégantes."