Erken evrende galaksiler çok farklı mıydı?

Güney Afrika’nın Karoo çölündeki 350 radyo teleskop dizisi, Büyük Patlama’dan sonra yıldızların ilk tutuştuğu ve galaksilerin çiçek açmaya başladığı “kozmik şafağı” tespit etmeye yaklaşıyor.

Yayınlanmak üzere kabul edilen bir makalede Astrofizik DergisiHydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) ekibi, evrenin tarihindeki bu eşsiz dönemi keşfetmeye adanmış dünyanın halihazırda en hassas radyo teleskopu olan dizinin hassasiyetini iki katına çıkardığını bildirdi.

Henüz kozmik karanlık çağların sonundan gelen radyo emisyonlarını gerçekten tespit etmemiş olsalar da, sonuçları erken evrendeki yıldızların ve galaksilerin bileşimine dair ipuçları sağlıyor. Verileri özellikle, bugünkü galaksilerimizin aksine, erken galaksilerin hidrojen ve helyum dışında çok az element içerdiğini gösteriyor.

Radyo antenleri tamamen çevrimiçi ve kalibre edildiğinde, ideal olarak bu sonbaharda, ekip, yaklaşık 200 milyon yıl öncesinden Büyük Patlama’dan yaklaşık 1 milyar yıl sonrasına evrimleşen iyonize ve nötr hidrojen kabarcıklarının 3 boyutlu bir haritasını çıkarmayı umuyor. Harita bize erken yıldızların ve galaksilerin bugün çevremizde gördüklerimizden ne kadar farklı olduğunu ve evrenin bir bütün olarak ergenlik döneminde nasıl göründüğünü söyleyebilir.

California Üniversitesi, Berkeley Astronomi Bölümü’nden araştırmacı bilim insanı Joshua Dillon, “Bu, kozmolojide potansiyel olarak devrim niteliğinde bir tekniğe doğru ilerliyor. İhtiyacınız olan hassasiyete ulaştığınızda, verilerde çok fazla bilgi var” dedi. makalenin baş yazarı. “Evrendeki parlak maddenin çoğunun 3 boyutlu bir haritası, önümüzdeki 50 yıl veya daha fazlası için hedeftir.”

Diğer teleskoplar da erken evrene bakıyor. Yeni James Webb Uzay Teleskobu (JWST), Big Bang’de evrenin doğumundan yaklaşık 325 milyon yıl sonra var olan bir galaksiyi görüntüledi. Ancak JWST, Yıldızları galaksiler arası ortamı ısıtıp hidrojen gazının çoğunu iyonize eden daha küçük ama çok daha fazla sayıda cüce galaksiyi değil, Yeniden İyonlaşma Çağı sırasında oluşan galaksilerin yalnızca en parlaklarını görebilir.

HERA, bu ilk yıldızlar ve galaksiler arasındaki boşluğu dolduran nötr hidrojenden gelen radyasyonu tespit etmeye ve özellikle, bu hidrojenin iyonlaştığı için radyo dalgaları yaymayı veya emmeyi ne zaman durdurduğunu belirlemeye çalışır.

HERA ekibinin, kozmik karanlık çağın soğuk hidrojeni içindeki bu iyonize hidrojen baloncuklarını henüz tespit edememiş olması, erken evrende yıldızların nasıl evrimleştiğine dair bazı teorileri geçersiz kılıyor.

Spesifik olarak veriler, Büyük Patlama’dan yaklaşık 200 milyon yıl sonra oluşmuş olabilecek en eski yıldızların hidrojen ve helyum dışında birkaç element daha içerdiğini gösteriyor. Bu, lityumdan uranyuma kadar helyumdan daha ağır elementler için astronomik bir terim olan çeşitli sözde metallere sahip günümüz yıldızlarının bileşiminden farklıdır. Bulgu, yıldızların ve yıldız patlamalarının diğer elementlerin çoğunu nasıl ürettiğine dair mevcut modelle tutarlı.

HERA’nın baş araştırmacısı ve UC Berkeley astronomi doçenti Aaron Parsons, “Bir sinyal görmememiz için, ilk gökadaların bugün gözlemlediğimiz gökadalardan önemli ölçüde farklı olması gerekir,” dedi. “Özellikle X-ışını özelliklerinin değişmiş olması gerekir. Aksi takdirde aradığımız sinyali bulurduk.”

Erken evrendeki yıldızların atomik bileşimi, yıldızlar oluşmaya başladıktan sonra galaksiler arası ortamı ısıtmanın ne kadar süreceğini belirledi. Bunun anahtarı, birinin bir kara deliğe veya nötron yıldızına çöktüğü ve yavaş yavaş yoldaşını yediği ikili yıldızlar tarafından üretilen, başta X-ışınları olmak üzere yüksek enerjili radyasyondur. Birkaç ağır elementle, yoldaşın kütlesinin büyük bir kısmı kara deliğin üzerine düşmek yerine savrulur, bu da daha az X-ışınları ve çevreleyen bölgenin daha az ısınması anlamına gelir.

Yeni veriler, yıldızların ve galaksilerin Büyük Patlama’dan sonra nasıl oluştuğuna dair en popüler teorilere uyuyor, ancak diğerlerine uymuyor. Ön sonuçlar HERA verilerinin bir yıl önce bildirilen ilk analizinden, bu alternatiflerin – özellikle soğuk yeniden iyonlaştırmanın – olası olmadığını ima etti.

“Sonuçlarımız, yeniden iyonlaşmadan önce ve Büyük Patlama’dan 450 milyon yıl sonra bile, galaksiler arasındaki gazın X-ışınları tarafından ısıtılmış olması gerektiğini gösteriyor. delik,” dedi Dillon. “Sonuçlarımız, eğer durum buysa, bu yıldızların güneşimize kıyasla çok düşük ‘metaliklik’, yani hidrojen ve helyum dışında çok az element olması gerektiğini gösteriyor, bu mantıklı çünkü bir dönemden bahsediyoruz. diğer elementlerin çoğu oluşmadan önce evrendeki zaman.”

Yeniden İyonlaşma Çağı

13,8 milyar yıl önce Büyük Patlama’da evrenin kökeni, sıcak bir enerji kazanı ve protonlar ve elektronlar atomları oluşturmak üzere birleşip başta hidrojen ve helyum olmak üzere yüzbinlerce yıl boyunca soğuyan temel parçacıklar üretti. Hassas teleskoplarla gökyüzüne bakan astronomlar, Big Bang’den sadece 380.000 yıl sonra, bu andan – kozmik mikrodalga arka plan olarak bilinen – sıcaklıktaki hafif değişimleri ayrıntılı olarak haritaladılar.

Bununla birlikte, bu kalıntı ısı radyasyonunun dışında, erken evren karanlıktı. Evren genişledikçe, maddenin kümelenmesi galaksilerin ve yıldızların tohumlarını attı ve bunlar da yıldızlar arasındaki gazı ısıtan radyasyon -morötesi ve X-ışınları- üretti. Bir noktada hidrojen iyonlaşmaya başladı – elektronunu kaybetti – ve nötr hidrojen içinde kabarcıklar oluşturarak Yeniden İyonlaşma Çağının başlangıcını işaret etti.

Bu baloncukları haritalamak için HERA ve diğer bazı deneyler, nötr hidrojenin emdiği ve yaydığı, ancak iyonize hidrojenin yaymadığı bir ışık dalga boyuna odaklanır. 21 santimetrelik çizgi (1.420 megahertz frekans) olarak adlandırılan bu çizgi, elektron ve protonun spinlerinin paralelden antiparalele döndüğü aşırı ince geçiş tarafından üretilir. Tek elektronunu kaybetmiş olan iyonize hidrojen bu radyo frekansını soğurmaz veya yaymaz.

Yeniden İyonlaşma Çağından bu yana, 21 santimetrelik çizgi, evrenin 10 kat daha uzun bir dalga boyuna (yaklaşık 2 metre veya 6 fit) genişlemesiyle kırmızıya kaydırıldı. HERA’nın kümes teli, PVC boru ve telefon direklerinden oluşan oldukça basit antenleri, bu radyasyonu toplayıp dedektörlere odaklamak için 14 metre çapındadır.

Dillon, “İki metre dalga boyunda, bir kümes tel örgü bir aynadır” dedi. “Ve tabiri caizse tüm karmaşık şeyler, süper bilgisayar arka ucunda ve ondan sonra gelen tüm veri analizinde.”

Yeni analiz, dizinin 1. aşaması olan yaklaşık 40 antenle 2017 ve 2018’de 94 gece gözleme dayanmaktadır. Geçen yılın ön analizi, 18 gecelik faz 1 gözlemlerine dayanıyordu.

Yeni makalenin ana sonucu, HERA ekibinin dizinin hassasiyetini Büyük Patlama’dan yaklaşık 650 milyon yıl sonra yayılan ışık için 2,1 kat (kırmızıya kayma veya dalga boyunda 7,9’luk bir artış) ve 2,6 kat artırdığıdır. Büyük Patlama’dan yaklaşık 450 milyon yıl sonra yayılan radyasyon (kırmızıya kayma 10.4).

HERA ekibi, erken evrende, Dünya’nın çevresindeki radyo gürültüsünün yaklaşık 1 milyonda biri kadar olan bu baloncukları görme umuduyla teleskopun kalibrasyonunu ve veri analizini geliştirmeye devam ediyor. Erken evrenden gelen radyasyonu görmek için yerel radyo gürültüsünü filtrelemek kolay olmadı.

UC Berkeley Radyo Astronomi Laboratuvarı’nda araştırma astronomu olan David Deboer, “İsviçre peyniriyse, galaksiler delikleri açar ve biz peyniri arıyoruz,” dedi.

Bununla birlikte, bu benzetmeyi genişleten Dillon, “Yaptığımız şey, peynirin hiçbir şey olmamışsa olduğundan daha sıcak olması gerektiğini söyledik. Peynir gerçekten soğuk olsaydı, o yamalılığı gözlemlemek daha kolay olurdu” dedi. peynir sıcak olsaydı.”

Bu çoğunlukla, daha soğuk bir başlangıç ​​noktası öneren soğuk yeniden iyonlaşma teorisini dışlar. Bunun yerine HERA araştırmacıları, X-ışını ikili yıldızlarından gelen X-ışınlarının önce galaksiler arası ortamı ısıttığından şüpheleniyorlar.

Dillon, “X-ışınları, delikler oluşmadan önce tüm peynir bloğunu etkili bir şekilde ısıtacaktır” dedi. “Ve bu delikler iyonize bitlerdir.”

Parsons, “HERA gelişmeye ve daha iyi sınırlar koymaya devam ediyor” dedi. “İlerlemeye devam edebilmemiz ve teleskopumuz için meyve vermeye devam eden yeni tekniklerimizin olması harika.”

HERA işbirliği UC Berkeley tarafından yönetiliyor ve Kuzey Amerika, Avrupa ve Güney Afrika’dan bilim adamlarını içeriyor.