21 cm’lik ormanla aynı anda karanlık maddeyi ve ilk galaksileri keşfetmek. Bu yaklaşım, karanlık madde özelliklerini kısıtlamaya yardımcı olabilir ve evrenin termal geçmişine dair içgörüler sağlayabilir. Kredi bilgileri: NAOC & NEU
Karanlık maddeyi ve ilk parlak galaksileri aynı anda keşfetmek: 21 cm’lik orman sondası erken evrenin sırlarını açığa çıkarabilir.
Ortak bir araştırma ekibi, daha önce teorik olarak kabul edilen bir kavram olan 21 cm’lik orman sondasını kullanarak karanlık maddeyi ve erken gökadaların oluşumunu incelemek için yeni bir yol önerdi. Devam eden Kilometre Kare Dizisi projesi ve son zamanlarda yüksek kırmızıya kaymalı radyo gürültülü kuasarların keşfi, bu yöntemi uygulanabilir hale getirdi. Bu yeni yaklaşım, evrenin termal geçmişine ve karanlık madde özelliklerine ilişkin içgörülerin kilidini açabilir.
Evrenin ilk galaksilerinin gizemi, insanoğlunun yılmaz bir dürtüsüdür. Bunların oluşumu, temel fiziğin de karşılaştığı en önemli sorunlardan biri olan karanlık maddenin doğasına hakimdir. Bununla birlikte, karanlık maddenin doğasını (örneğin, soğuk mu yoksa sıcak mı olduğunu) ve bunun ilk galaksi oluşumu üzerindeki müteakip etkisini anlamak büyük bir zorluktur.
Şimdi, Northeastern Üniversitesi’nden (Çin) ve Çin Bilimler Akademisi Ulusal Astronomik Gözlemevlerinden (NAOC) ortak bir araştırma ekibi, karanlık maddenin doğasına ve galaksilerin erken oluşumuna aynı anda ışık tutmaya çalışmak için yeni bir sonda kullanmayı önerdi. .
Ekibin çalışması dergide yayınlandı Doğa Astronomisi 6 Temmuz’da
21 cm ormanın simüle edilmiş 1 boyutlu güç spektrumları. Kredi bilgileri: Shao ve ark.
Karanlık maddeyi anlamanın bir yolu, küçük ölçekli yapıların kozmolojik gözlemleri yoluyla karanlık madde parçacıklarının kütlesini ölçmeye çalışmaktır. Ancak, özellikle kozmik şafak sırasında, hiçbir yıldız oluşumunun meydana gelmediği küçük ölçekli yapıları tespit etmek zordur. Neyse ki, kozmik şafaktan gelen bu karanlık, küçük yapıların içindeki ve çevresindeki atomik hidrojen gazı, Dünya ile yüksek kırmızıya kaymalı radyo nokta kaynakları arasındaki görüş hatları boyunca 21 cm’lik soğurma çizgileri oluşturuyor. Bu soğurma çizgileri toplu olarak 21 cm’lik orman olarak bilinir.
21 cm’lik orman sondası, kozmik şafak sırasında gaz sıcaklıklarını ve potansiyel olarak karanlık madde özelliklerini araştırmak için 20 yıldan uzun süredir önerilen teorik bir kavramdır. Şimdiye kadar, bilim adamları, son derece zayıf sinyaller, yüksek kırmızıya kaymalı arka plan kaynaklarını tanımlamanın zorluğu ve karanlık madde parçacıklarının kütlesi ile ısınma etkisi arasındaki dejenerelik gibi sayısız zorluk nedeniyle sondayı fiilen kullanmaya teşebbüs etmediler. sondanın parçacık kütlesini veya ilk galaksilerden gelen ısıtma etkisini kısıtlaması.
Ancak son zamanlarda, bir dizi yüksek kırmızıya kaymalı, radyo gürültülü kuasar keşfedildi. Buna ek olarak, dünyanın en büyük radyo teleskopunu inşa etmeye yönelik uluslararası bir girişim olan Kilometre Kare Dizisinin (SKA) inşaatına geçen Aralık ayında başlandı. Her iki gelişme de, 21 cm’lik orman sondasının kullanılmasının yakında mümkün olacağını gösteriyor.
Kozmolojik sondalarda yaygın olarak kullanılan güç spektrumu analizlerinden ilham alan NAOC araştırmacıları, sırasıyla sıcak karanlık madde etkisi ve ısıtma etkisinin neden olduğu sinyallerin ayırt edici ölçek bağımlılıklarının, ikisini ayırt etmek için temel özellikleri istatistiksel olarak çıkarmak için kullanılabileceğini fark ettiler. Etkileri.
Bu çalışmada, araştırmacılar, 21 cm’lik ormanın tek boyutlu (1-D) güç spektrumunu ölçerek, zayıf sinyal problemini ve dejenerasyon problemini aynı anda çözmek için yeni bir istatistiksel çözüm önerdiler. 1-D güç spektrumunun genliği ve şekli ile ortaya çıkan sinyal ölçeği bağımlılığı, 21 cm’lik orman sondasını, karanlık madde özelliklerini ve Evrenin termal geçmişini aynı anda ölçmek için geçerli ve etkili bir araç haline getirir.
“21 cm’lik ormanın tek boyutlu güç spektrumunu ölçerek, yalnızca hassasiyeti artırarak sondayı gerçekten uygulanabilir kılmakla kalmıyor, aynı zamanda sıcak karanlık madde modellerinin ve erken ısınma sürecinin etkilerini ayırt etmenin bir yolunu da sağlıyoruz.” dedi çalışmanın ilgili yazarı XU Yidong. “Bir taşla iki kuş vurabileceğiz!”
Kozmik ısınmanın çok şiddetli olmadığı senaryolarda, SKA Faz 1’in düşük frekans dizisi, hem karanlık madde parçacık kütlesini hem de gaz sıcaklığını etkili bir şekilde sınırlandırabilecektir. Kozmik ısınmanın daha önemli olduğu durumlarda, SKA 2. Aşama sırasında birden çok arka plan radyo kaynağının kullanılması, sağlam algılama yetenekleri sağlayacaktır.
21 cm’lik orman, diğer gözlemlerin ulaşamayacağı kırmızıya kayma aralıklarında karanlık maddeyi sınırlamak için uygun bir araç sunuyor. 21 cm’lik orman, ısıtma seviyesini ölçerek, Evrendeki ilk parlak nesnelerin doğasına ışık tutmak için ilk galaksilerin ve ilk karadeliklerin spektral özelliklerini kısıtlamanın bir yolunu sunuyor. 21 cm’lik orman sondasını kullanmak, erken Evren anlayışımızı ilerletmek ve hem karanlık maddenin hem de ilk galaksilerin gizemlerine bakmak için vazgeçilmez bir yol olarak hizmet edecek.
21 cm’lik orman sondasının uygulanması, yüksek kırmızıya kaymalı arka plan radyo kaynaklarının gözlemlerine yakından bağlı olduğundan, bir sonraki adım, kozmik şafakta daha fazla radyo parlaklığı kaynağın (radyo gürültülü kuasarlar ve gama ışını patlamaları gibi) tanımlanmasını da içerecektir. afterglows) SKA döneminde takip edilebilir.
Referans: Yue Shao, Yidong Xu, Yougang Wang, Wenxiu Yang, Ran Li, Xin Zhang ve Xuelei Chen tarafından yazılan “Karanlık madde ve kozmik ısınma tarihinin eş zamanlı araştırması olarak 21 cm orman”, 6 Temmuz 2023, Doğa Astronomisi.
DOI: 10.1038/s41550-023-02024-7