ROMFORSK-Program for romforskning

Kartlegginga av temperaturfluktuasjoner i den kosmiske bakgrunnstrålinga (CMB) er det store høydepunktet i moderne kosmologihistorie. Eksperimenter som COBE, WMAP og Planck har revolusjonert moderne kosmologi ved å ta nyfødtbilder av universet. De fleste kosmologiske parametre, som alderen og utvidelseshastigheten til universet samt hvor mye vanlig og mørk materie det inneholder, har blitt bestemt med prosents nøyaktighet. De samme observasjonene har også gitt oss en mye bedre forståelse av forgrunnsstråling fra vår egen galakse, inkludert individuelle kart av stråling fra synkrotron, fri-fri, CO og både snurrende og termisk støv. Den neste store utfordringa er å lage 3D-kart av distribusjonen av materie i universet heilt tilbake til rødforskyvning på z=20. Dette vil gi oss informasjon om både mørk energi, mørk materie og stjerne- og galaksedannelse i det tidlige universet. Nåværende og framtidige eksperimenter som CHIME, Euclid og SKA samler inn data, men det er ei utfordring å kontrollere instrumentell støy og systematikk samt å skille mellom kosmologisk signal og astrofysiske forgrunner. Ei unik tilnærming er å observere molekyllinjer fra karbonmonoksidmolekyler (CO). CO blir produsert under stjernedannelse og må finnes i de første galaksene. CO sender ut sterk stråling på veldig skarpe frekvenser, 115GHz og mutipler av dette. Ved hjelp av sensitive målinger på lågere frekvenser kan vi måle fordelinga av rødforskjøvet CO-stråling og dermed få et kart over materiefordelinga i det tidlige universet. Det første stifinnereksperimentet øremerka for å måle rødforskjøvet CO kalles COMAP og bruker MMIC-detektorer mellom 30-34 GHz for å måle rødforskyving mellom z=2,3-2.7 (CO 1-0) og Z=6-7 (CO 2-1). De første observasjonene fra COMAP-instrumentet ble tatt i mars 2018, og det påfølgende året ble brukt til testing og optimalisering. Rutine-observasjoner begynte i juni 2019, omtrent samtidig med at vi arrangerte et COMAP-analysemøte i Balestrand i Sognefjorden, og har pågått med kun mindre avbrudd siden. Per 31. desember 2019 har teleskopet samlet inn nesten 6 måneder med gode data, og disse målingene analyseres akkurat nå ved Universitetet i Oslo. De første resultatene forventes offentliggjort mot slutten av 2020.

COMAP er et Caltech-ledet eksperiment som leter etter signaturen av karbonmonoksid (CO) som ble skapt inni de aller første galaksene. Universitetet i Oslo leder analyse-innsatsen i dette prosjektet. Dataene sendes direkte fra observatoriet til Oslo hver natt, og prosesseres fortløpende på lokale maskiner. Denne rollen har vært svært verdifull for UiO, og COMAP-prosjektet har gjort at UiO i dag er verdensledende innen analyse av CO-målinger. Det viktigste vitenskapelige resultatet fra den første fasen av COMAP er en demonstrasjon av at COMAP-teknologien yter i henhold til forventningene, selv etter at systematiske effekter er tatt hensyn til. Dersom like god ytelse fortsetter, er det all grunn til å håpe at den første deteksjonen av CO-signal skjer i løpet av det kommende året. For å konsolidere denne suksessen, og garantere en fortsatt ledende posisjon i feltet, vil UiO-forskere søke om finansiering for videreføring av prosjektet (COMAP2) fra NFR i 2020.

The greatest success story in modern cosmology is the mapping of temperature fluctuations in the cosmic microwave background (CMB). Providing a direct image of the infant universe, experiments such as COBE, WMAP and Planck have revolutionized modern cosmology. Most cosmological parameters have been constrained to percent level accuracy, including the age and expansion speed of the universe, and dark and baryonic matter densities. The same observations have also opened a new view of the Milky Way, resulting in detailed maps of synchrotron, free-free, CO and (both spinning and thermal) dust emission. The next frontier lies in 3D mapping of the cosmic density field of redshifts up to z~20. These structures promise to open up an entirely new window on cosmology, and in particular on dark energy, dark matter, and early galaxy and star formation. Examples of important relevant experiments are CHIME, Euclid, SKA and many others. However, the experimental obstacles are massive, both in form of astrophysical foreground and instrumental challenges. A unique novel approach has been proposed that exploits CO (carbon monoxide) line emission for the same purpose. Carbon monoxide is formed wherever there is star formation, and must be present in the first galaxies. Furthermore, CO emits strongly at a sharp frequency of 115 GHz and multiples thereof, and high-resolution observations at lower frequencies may therefore be employed to map the high-redshift universe. The first CO intensity mapping pathfinder is called COMAP, which employs MMIC detectors at 30-34 GHz to cover z=2.3-2.7 (CO 1-0) and 6-7 (CO 2-1). The University of Oslo has been invited to join this experiment, due to our leadership in the QUIET and Planck experiments. The main goal of the current application is to fund this work, securing Norway's position in the forefront of 21st century cosmology, and prepare the ground for future Norwegian leadership in large-scale structure data analysis, in particular for Euclid.