Første fase av QUIET en suksess

Nye resultater fra QUIET setter en ny standard for instrumentell nøyaktighet innen søk etter gravitasjonsbølger fra Big Bang.

QUIET observerer fra 5080 meters høyde i Atacama-ørkenen i Chile, en av verdens tørreste ørkener. Pilotfasen av QUIET ble nylig fullført med stor suksess, og viste at QUIET instrumentene er verdensledende når det gjelder fravær av systematiske effekter.

Inflasjon

Hvordan oppstod de aller første strukturene i universet? Hvorfor har den kosmiske bakgrunnsstrålingen den samme temperaturen i alle retninger på himmelen? Hvorfor er tettheten i universet så veldig nær den såkalte kritiske tettheten? Disse spørsmålene har plaget kosmologer i mange tiår allerede, og tidlig på 1980-tallet ble det formulert en teori som muligens kan forklare disse observasjonene gjennom en kvantemekanisk prosess som kalles inflasjon. Ifølge denne teorien utvidet universet seg eksponensielt med en faktor på 1026 i løpet av 10-34 sekunder. Dette tilsvarer røft at en lengde på størrelse med et hydrogenatom blåses opp til 100 ganger større enn solsystemet i løpet av praktisk talt null tid!

PolarisasjonsparametreKart over polarisasjonen til den kosmiske bakgrunnsstrålingen observert av QUIET, dekomponert i såkalte Stokes Q (venstre) og U (høyre) parametere, produsert ved Universitetet i Oslo. QUIET er det første eksperimentet der man kan se polarisasjonssignalet med øyet uten filtrering. Legg merke til de horisontale-vertikale strukturene i det venstre panelet, og de diagonale strukturene i det høyre panelet: Dette er signaturen av vanlige tetthetsperturbasjoner i det tidlige univers. Gravitasjonsbølger skaper et signal ortogonalt på dette, og altså diagonalt i det venstre panelet, og vertikalt/horistonalt i det høyre. Disse forventes imidlertid å være minst 10 ganger svakere enn bølgene fra tetthetsperturbasjoner, og ingen slike er observert så langt. Klikk på bildet for større versjon.

Polarisasjon og gravitasjonsbølger

En slik idé virker ved første øyekast nokså utrolig, men i løpet av de siste ti årene har bevisene blitt stadig sterkere, først og fremst gjennom stadig mer detaljerte målinger av den kosmiske bakgrunnsstrålingen gjennomført av WMAP og (snart) Planck. Likevel kan ikke teorien sies å ha et fast observasjonelt fundament, fordi alle foreløpige bevis er indirekte; de kan også forklares på andre måter. En forutsigelse som derimot er unik for inflasjon er eksistensen av en uhyre svak bakgrunn av gravitasjonsbølger som finnes overalt universet. Og den mest lovende metoden for å finne denne bakgrunnen er gjennom detaljerte målinger av polarisasjonen til den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Nobelpriser

Så langt har studier av den kosmiske bakgrunnstrålingen ført til to Nobel-priser; først til Arno Penzias og Robert Wilson i 1977 for oppdagelsen av bakgrunnsstrålingen, og så til John Mather og George Smoot for oppdagelsen av de første fluktuasjonene som senere ble til galakser, planeter og mennesker. En tredje vil høyst sannsynlig gis for oppdagelsen av gravitasjonsbølger når og hvis det skjer. Det er derfor ikke overraskende at mange forskningsgrupper over hele verden i disse dager utvikler stadig mer følsomme instrumenter for å lete etter disse signalene.

QUIET

Et av disse eksperimentene heter QUIET, og består av 14 internasjonale topp-forskningsinstitusjoner, inkludert Caltech, Chicago, Princeton, Oxford – og Universitetet i Oslo. I dette topp-tunge miljøet spiller UiO en helt sentral rolle i kraft av å lede ett av to dataanalyse-sentere.

Polarisasjons-spekteretSammenlikning av alle målinger av polarisasjons-spekteret for tetthetsperturbasjoner per i dag, sammenliknet med teoretisk modell. QUIET-spekteret (sorte punkter) representerer den klart mest imponerende målingen per i dag, og ser tre klare topper i spekteret. Bunn: øvre grenser på gravitasjonsbølge-spekteret sammenliknet med en mulig teoretisk modell basert på et (høyt) tensor-til-skalar-forhold på r=0.1 (stiplet linje). Målet er å komme ned til r=0.01, der mange teorier forutsier at r vil ligge. For at dette skal være mulig må man ha instrumenter med både høy sensitivitet og lave systematiske effekter. Klikk på bildet for større versjon.

Målet i pilotfasen nådd

Siden 2008 har QUIET operert i en såkalt pilotfase, der målet er å demonstrere at teknologien fungerer etter planen, og lære hvordan man kan forbedre instrumenteringen. Etter fem års iherdig innsats har nå dette arbeidet ført til strålende resultater, og mandag 23. juli ble resultatene fra mer enn halvannet års observasjoner publisert: Som første eksperiment har QUIET demonstrert gjennom faktiske observasjoner at deres teknologi er i stand til å nå den nødvendige sensitiviten (teknisk definert gjennom det såkalte
tensor-til-skalar-forholdet på r = 0.01) både med hensyn på instrumentell følsomhet og fravær av systematiske effekter. Dette kommer som et resultat av både banebrytende instrumentering og en usedvanlig grundig innsats innen dataanalyse.

Enda større sensitivtitet

Siden konstruksjonen av pilot-instrumentet har utviklingen av QUIET-detektorene gått videre, og en moderne QUIET-detektor er tre ganger mer følsom enn forrige generasjon. I fase 2 av eksperimentet skal man etter planen øke antall detektorer med en faktor på fem, noe som gir en total effektiv økning i sensitivitet per tid på nesten syv. Dette instrumentet vil trenge tre års observasjonstid for å nå r=0.01, der mange teoretiske modeller forutsier at inflasjonssignalet vil ligge.

Spennende tid

En søknad om finansiering av QUIET2 ble sendt inn til det amerikanske forskningsrådet i januar, og avgjørelsen derfra forventes i løpet av august. Dersom alt går etter planen kan de neste fem årene bli svært spennende for kosmologi-miljøet i Oslo.


Systematiske effekterEstimater av systematiske effekter for QUIET for tetthetsperturbasjons-spekteret (venstre panel), gravitasjonsbølge-spekteret (midtre panel) og kryss-spekteret mellom de to (høyre). Som første eksperiment i verden har QUIET demonstrert systematiske effekter tilsvarende et nivå under r=0.01, nødvendig for å studere store klasser av inflasjonsmodeller i detalj. Klikk på bildet for større versjon.

 

Av Hans Kristian Eriksen, Ingunn Kathrine Wehus og Sigurd Kirkevold Næss
Publisert 25. juli 2012 14:55 - Sist endret 25. juli 2012 15:04