SPIDER: Imaging the birth of the universe from 38,000 meters above Antartica

I mars 2014 sendte Harvard-universitetet og BICEP2-eksperimentet ut ei pressemelding med navn "Første direkte bevis for kosmisk inflasjon", der de påsto at de hadde observert urgamle gravtasjonsbølger fra universets spedbarnstid. Dette ville i så fall være aller første gang vi kunne se avtrykket av ei gravitasjonsbølge, og det ville bevise at det unge universet virkelig gikk gjennom en inflasjonsfase der det utvida seg ekstremt raskt. Det var en åpenbar Nobel-kandidat. Andre forskere påpekte derimot raskt at BICEP2-signalet var forurensa av lokal stråling fra vår egen galakse. En kombinert Planck+BICEP2-analyset året etter viste at i det minste mesteparten av signalet ble sendt ut av vibrerende støvpartikler i Melkeveien. Søkenen fortsetter derfor. Blandt de mest lovende eksperimentene er SPIDER, søsterprosjektet til BICEP2. Både SPIDER og BICEP2 prøver å måle effekten av inflasjonsgravitasjonsbølger på den kosmiske bakgrunnsstrålinga. SPIDER bruker samme type detektorer som BICEP2, men istedet for å observere fra bakkenivå, så sendes SPIDER-teleskopet opp i 38 000 meters høyde i en ballong. Dermed reduseres mengden atmosfære teleskopet må se gjennom, og målingene blir mindre støyete. Den første ballongflyvninga skjedde i januar 2015 og var vellykka, den neste er planlagt i desember 2020. Allerede den første flyvninga gir himmelkart som har samme sensitivitet pr areal som BICEP2, men som dekker 7% av himmelen istedet for bare 1%. SPIDER har derfor store muligheter for å enten påvise gravitasjonsbølger fra universets begynnelse, eller sette nye strenge grenser på hvor sterkt dette signalet kan være. Forskere ved Universitetet i Oslo spiller en viktig rolle i SPIDER-samarbeidet gjennom vårt fokus på global analyse av komplementære CMB-eksperimenter. Kombinasjon av forskjellige datasett er essensielt for å kunne skille mellom kosmologisk stråling og forurensing fra vår egen galakse, Melkeveien. I løpet av de siste året har UiO-forskere utviklet en nyskapende algoritme for felles analyse av data fra den ESA-finansierte Planck-satellitten og fra SPIDER. De første resultatene fra dette forventes mot slutten av 2020.

SPIDER er et Princeton-ledet eksperiment som leter etter signaturen av gravitasjonsbølger som ble skapt rett etter Big Bang. Disse målingene utføres med ultra-sensitive bolometere. Denne sensitiviteten er nødvendig for å måle det svake signalet, men den gjør også at dataene er svært utsatt for forurensning fra ikke-kosmologiske kilder. Hoveddelen av arbeidet som har funnet sted siden observasjonene ble tatt i 2015 har dreid seg om å forstå disse usikkerhetene, og utvikle stadig bedre algoritmer for å ekstrahere det kosmologiske signalet fra rå-dataene. Resultatene som vil publiseres mot slutten av 2020 vil sette en øvre grense på gravitasjonsbølger fra Big Bang som vil være blant de sterkeste i verden. Dette arbeidet har også bygget opp essensiell erfaring med bolometere i Norge. Dette har bidratt til at UiO nå er i ferd med å ta en sentral rolle i analysen av både ESAs Planck og JAXAs LiteBIRD.

On March 17th 2014, Harvard University and the BICEP2 experiment issued a press release titled "First Direct Evidence of Cosmic Inflation", claiming the first detection of primordial gravitational waves. If correct, this detection would both prove the inflationary cosmological paradigm, and provide the first ever image of gravitational waves. It was an obvious Nobel prize candidate. Prof. Clem Pryke noted in the press release that "This has been like looking for a needle in a haystack, but instead we found a crowbar." However, other researchers quickly demonstrated that the signal did indeed look more like iron than gold. A combined Planck+BICEP2 analysis this year showed that at least a dominant part of the signal was due to vibrating dust grains in the Milky Way. The search therefore continues. Among the most promising experiments is SPIDER, BICEP2's sister project. SPIDER employs the same type of detectors as BICEP2, but mount them on a stratospheric balloon to reduce atmospheric loading and thereby instrumental noise. The first flight was successfully concluded in January 2015, with a second tentatively scheduled for 2017. However, already the current observations will provide maps with the same sensitivity per area as BICEP2, but covering 7% of the sky rather than just 1%. The projected 3-sigma constraint on the tensor-to-scalar ratio is 0.03 before foreground marginalization, dramatically improving on the BICEP2 results. However, due to severe delays, SPIDER is in critical need for additional analysis manpower and expertise. Oslo has therefore very recently been invited to join the experiment by Prof. Bill Jones (PI), to focus on low-level processing, component separation and parameter estimation. This is a truly unique window of opportunity for Norway to participate in a world-leading - and possibly Nobel-prize winning - CMB B-mode experiment in the coming years. Securing funding for this effort is the primary goal of the current application.