La materia en el Universo se puede clasificar en dos categorías, materia “normal” o “bariónica” que se describe en el Modelo Estándar de la física de partículas, y materia “oscura” que solo se ha observado porque interactúa gravitacionalmente. Las observaciones indican que la densidad de la materia oscura es más de cinco veces mayor que la materia bariónica, y que la mayor parte de la materia bariónica está en forma de gas ionizado caliente en lugar de gas frío o estrellas. CMB-S4 será capaz de mapear la materia normal y oscura por separado midiendo las fluctuaciones en la densidad de masa total y la densidad de gas ionizado.
Las diferencias en la densidad de la materia a través del Universo son fuente de potenciales gravitacionales. Estos potenciales doblan la luz y distorsionan nuestra visión de los objetos de fondo en un proceso llamado lente gravitacional. Debido a que el mecanismo para las distorsiones se conoce bien, podemos usarlo para reconstruir las fluctuaciones en la densidad de la materia. El CMB es la luz más antigua y lejana del Universo y, con el CMB como fuente de fondo, prácticamente todas las fluctuaciones de densidad en el Universo observable dejan una huella. El mapa resultante de la reconstrucción de la lente CMB será de un área extensa, altamente sensible y extremadamente bien calibrado.
Podremos usar este mapa para medir con precisión la amplitud de la estructura a gran escala en corrimientos al rojo intermedios, con importantes aplicaciones a la energía oscura, la gravedad modificada y los estudios de masas de neutrinos. En conjunto con otras observaciones, podemos usar este mapa para encontrar la masa media para un catálogo de objetos (por ejemplo, de galaxias y cúmulos de galaxias). Al calibrar las masas de los cúmulos, la abundancia de cúmulos de galaxias se puede utilizar como una sonda de energía oscura y masas de neutrinos. Combinado con estudios ópticos de galaxias y mediciones de la lente gravitacional de las galaxias, CMB-S4 sondeará la conexión entre los bariones visibles y el andamiaje subyacente de materia oscura a lo largo de la historia cósmica.
Se cree que los bariones en el universo de hoy existen principalmente en un plasma ionizado difuso que es difícil de observar. Este plasma ionizado puede dejar huellas al dispersar la luz CMB (a través de los llamados efectos Sunyaev-Zel’dovich). Un efecto, debido a la dispersión de electrones calientes, conduce a una distorsión característica del espectro de energía de la radiación CMB. La naturaleza de esta dispersión nos permite encontrar reservas de electrones calientes (como cúmulos de galaxias), independientemente de la distancia. El catálogo CMB-S4 tendrá un tamaño de más de un orden de magnitud mayor que los catálogos actuales, y será especialmente bueno para encontrar los cúmulos más distantes. El mismo efecto nos permite medir el perfil de la presión del gas en los cúmulos.
Otro efecto es sensible a la combinación de densidad de gas y velocidad. Combinado con datos de otros estudios, CMB-S4 puede sondear la densidad de gas alrededor de galaxias y cúmulos de galaxias. Determinará límites para la entrada de energía al gas de los agujeros negros centrales en los núcleos galácticos activos y de las explosiones de supernovas de estrellas. Con restricciones en la velocidad, CMB-S4 puede probar modelos alternativos de gravedad. Los patrones en la distribución del gas más temprano en ser ionizado pueden darnos una idea acerca de las primeras estrellas.
Finalmente, en el curso natural de su estudio, CMB-S4 catalogará la emisión de objetos en la banda de longitud de onda milimétrica, incluyendo los núcleos galácticos activos y las galaxias distantes y polvorientas de formación estelar. La materia en nuestra propia galaxia también será mapeada a una exquisita sensibilidad en intensidad y polarización lineal sobre una gran fracción del cielo.
