Ar ankstyvojoje visatoje galaktikos buvo labai skirtingos?


Ar ankstyvojoje visatoje galaktikos buvo labai skirtingos?

Paukščių Tako galaktika naktiniame danguje virš HERA masyvo. Teleskopas gali stebėti tik nuo balandžio iki rugsėjo, kai Paukščių Takas yra žemiau horizonto, nes galaktika skleidžia daug radijo triukšmo, kuris trukdo aptikti silpną spinduliuotę iš rejonizacijos epochos. Masyvas yra radijo tyliame regione, kur radijo aparatai, mobilieji telefonai ir net benzinu varomi automobiliai yra draudžiami. Kreditas: Dara Storer

350 radijo teleskopų masyvas Karoo dykumoje Pietų Afrikoje artėja prie „kosminės aušros“ aptikimo – eros po Didžiojo sprogimo, kai pirmą kartą užsidegė žvaigždės ir pradėjo žydėti galaktikos.

Straipsnyje, priimtame skelbti m Astrofizikos žurnalasHidrogen Epoch of Reionization Array (HERA) komanda praneša, kad ji dvigubai padidino masyvo, kuris jau buvo jautriausias radijo teleskopas pasaulyje, skirtas tyrinėti šį unikalų laikotarpį per visą pasaulio istoriją, jautrumą. visata.

Nors jie dar turi aptikti radijo spinduliuotę iš kosminių tamsiųjų amžių pabaigos, jų rezultatai suteikia užuominų apie žvaigždžių ir galaktikų sudėtį. ankstyvoji visata. Visų pirma, jų duomenys rodo, kad ankstyvosiose galaktikose buvo labai mažai elementų vandenilis ir helio, skirtingai nei mūsų galaktikos šiandien.

Kai radijo lėkštės bus visiškai prijungtos ir sukalibruotos, idealiu atveju šį rudenį, komanda tikisi sukurti 3D jonizuotų ir neutralus vandenilis kaip jie išsivystė nuo maždaug 200 milijonų metų iki maždaug 1 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Žemėlapis gali mums parodyti, kuo ankstyvosios žvaigždės ir galaktikos skyrėsi nuo tų, kurias matome aplink mus šiandien, ir kaip visata atrodė paauglystėje.

“Tai žengia link potencialiai revoliucinės kosmologijos technikos. Kai tik pasieksite reikiamą jautrumą, duomenyse yra tiek daug informacijos”, – sakė Kalifornijos universiteto Berklio astronomijos katedros mokslininkas Joshua Dillonas. pagrindinis straipsnio autorius. „Ateinančių 50 ar daugiau metų tikslas yra sukurti 3D daugumos šviečiančių visatoje medžiagų žemėlapį.

Kiti teleskopai taip pat žvelgia į ankstyvąją visatą. Naujasis Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST) dabar nufotografavo galaktiką, kuri egzistavo maždaug 325 milijonus metų po visatos gimimo Didžiojo sprogimo metu. Tačiau JWST gali matyti tik ryškiausias iš galaktikų, susiformavusių per rejonizacijos epochą, ne mažesnes, bet daug daugiau nykštukų galaktikas, kurių žvaigždės šildė tarpgalaktinę terpę ir jonizavo didžiąją dalį vandenilio dujų.

HERA siekia aptikti spinduliuotę iš neutralaus vandenilio, kuris užpildė erdvę tarp tų ankstyvųjų žvaigždžių ir galaktikų, ir ypač nustatyti, kada tas vandenilis nustojo skleisti arba sugerti radijo bangas, nes tapo jonizuotas.

Tai, kad HERA komanda dar neaptiko šių jonizuoto vandenilio burbuliukų šaltame kosminio tamsaus amžiaus vandenilyje, atmeta kai kurias teorijas, kaip žvaigždės išsivystė ankstyvojoje visatoje.

Konkrečiai, duomenys rodo, kad ankstyviausiose žvaigždėse, kurios galėjo susidaryti maždaug 200 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, buvo nedaug kitų elementų, išskyrus vandenilį ir helią. Tai skiriasi nuo šiuolaikinių žvaigždžių, turinčių įvairių vadinamųjų metalų, sudėties, astronominiu terminu, apibūdinančiu elementus, pradedant ličiu ir baigiant uranu, kurie yra sunkesni už helią. Išvada atitinka dabartinį modelį, kaip žvaigždės ir žvaigždžių sprogimai sukūrė daugumą kitų elementų.

„Ankstyvosios galaktikos turėjo gerokai skirtis nuo galaktikos, kurias stebime šiandien, kad nematytume signalo“, – sakė Aaronas Parsons, pagrindinis HERA tyrėjas ir UC Berkeley astronomijos docentas. “Ypač jų rentgeno charakteristikos turėjo pasikeisti. Priešingu atveju būtume aptikę signalą, kurio ieškome.”

Ankstyvosios visatos žvaigždžių atominė sudėtis lėmė, kiek laiko prireikė tarpgalaktinės terpės šildymui, kai tik pradėjo formuotis žvaigždės. Svarbiausia yra didelės energijos spinduliuotė, visų pirma rentgeno spinduliai, kuriuos sukuria dvinarės žvaigždės, kai viena iš jų subyrėjo į juodąją skylę arba neutroninę žvaigždę ir palaipsniui ėda savo palydovą. Esant nedaugeliui sunkiųjų elementų, didelė dalis kompaniono masės nupučiama, o ne patenka į juodąją skylę, o tai reiškia, kad mažiau rentgeno spindulių ir mažiau įkaista aplinkinė sritis.

Nauji duomenys atitinka populiariausias teorijas, kaip žvaigždės ir galaktikos susiformavo po Didžiojo sprogimo, bet ne kitas. Preliminarūs rezultatai iš pirmosios HERA duomenų analizės, apie kurią pranešta prieš metus, užsiminė, kad šios alternatyvos – konkrečiai – šaltos reionizacija– buvo mažai tikėtini.

“Mūsų rezultatai reikalauja, kad dar prieš rejonizaciją ir praėjus 450 milijonų metų po Didžiojo sprogimo dujos tarp galaktikų turėjo būti įkaitintos rentgeno spinduliais. Tikėtina, kad jie atsirado iš dvejetainių sistemų, kuriose viena žvaigždė praranda masę kompanionei juodajai. skylė“, – sakė Dillonas. „Mūsų rezultatai rodo, kad jei taip yra, tos žvaigždės turėjo būti labai mažo metališkumo, ty, palyginti su mūsų saule, kitų elementų, išskyrus vandenilį ir helią, turėjo būti labai mažai, o tai logiška, nes kalbame apie laikotarpį laiko visatoje, kol susidarė dauguma kitų elementų.

Ar ankstyvojoje visatoje galaktikos buvo labai skirtingos?

Vandenilio reionizacijos masyvą (HERA) sudaro 350 lėkštelių, nukreiptų į viršų, kad būtų galima aptikti 21 centimetro emisiją iš ankstyvosios visatos. Jis yra radijo tyliame sausringo Karoo regione Pietų Afrikoje. Kreditas: Dara Storer

Reionizacijos epocha

Visatos atsiradimas Didžiojo sprogimo metu prieš 13,8 milijardo metų sukūrė karštą energijos ir elementariųjų dalelių katilą, kuris šimtus tūkstančių metų aušino, kol protonai ir elektronai susijungė ir susidarė atomai – pirmiausia vandenilis ir helis. Žvelgdami į dangų jautriais teleskopais, astronomai detaliai nubrėžė silpnus temperatūros svyravimus nuo šio momento – tai vadinama kosminiu mikrobangų fonu – praėjus vos 380 000 metų po Didžiojo sprogimo.

Tačiau, be šios reliktinės šilumos spinduliuotės, ankstyvoji visata buvo tamsi. Visatai plečiantis, materijos gniužulai pasėjo galaktikas ir žvaigždes, kurios savo ruožtu gamino spinduliuotę – ultravioletinius ir rentgeno spindulius – kaitinančius dujas tarp žvaigždžių. Tam tikru momentu vandenilis pradėjo jonizuotis – prarado savo elektroną – ir neutraliame vandenilyje susidarė burbuliukai, žymintys rejonizacijos epochos pradžią.

Norėdami nustatyti šiuos burbulus, HERA ir keli kiti eksperimentai yra sutelkti į šviesos bangos ilgį, kurį neutralus vandenilis sugeria ir skleidžia, bet ne jonizuotas vandenilis. Vadinamas 21 centimetro linija (1 420 megahercų dažnis), jis susidaro dėl hipersmulkaus perėjimo, kurio metu elektrono ir protono sukiniai virsta iš lygiagrečių į antilygiagrečius. Jonizuotas vandenilis, praradęs vienintelį elektroną, šio radijo dažnio nesugeria ir neišspinduliuoja.

Nuo reionizacijos epochos 21 centimetro linija buvo raudonai pasislinkusi dėl visatos plėtimosi iki 10 kartų ilgesnio bangos ilgio – maždaug 2 metrų arba 6 pėdų. Gana paprastos HERA antenos, pagamintos iš vištienos vielos, PVC vamzdžio ir telefono stulpų, yra 14 metrų skersmens, kad būtų galima surinkti ir nukreipti šią spinduliuotę į detektorius.

„Dviejų metrų bangos ilgio vištienos vielos tinklelis yra veidrodis“, – sakė Dillonas. „Ir visi sudėtingi dalykai, taip sakant, yra superkompiuterio fone ir visoje duomenų analizėje, kuri ateina po to.

Naujoji analizė pagrįsta 94 naktų stebėjimu 2017 ir 2018 m. su maždaug 40 antenų – 1 masyvo fazė. Praėjusių metų preliminari analizė buvo pagrįsta 18 naktų 1 fazės stebėjimais.

Pagrindinis naujojo dokumento rezultatas yra tai, kad HERA komanda padidino masyvo jautrumą 2,1 karto šviesai, išspinduliuotai maždaug 650 milijonų metų po Didžiojo sprogimo (raudonasis poslinkis arba bangos ilgio padidėjimas 7,9), ir 2,6 karto. spinduliuotė, išspinduliuota praėjus maždaug 450 milijonų metų po Didžiojo sprogimo (raudonasis poslinkis 10,4).

HERA komanda ir toliau tobulina teleskopo kalibravimą ir duomenų analizę, tikėdamasi pamatyti tuos burbulus ankstyvojoje visatoje, kurie yra maždaug 1 milijonoji radijo triukšmo intensyvumo Žemės kaimynystėje. Išfiltruoti vietinį radijo triukšmą, kad būtų galima pamatyti ankstyvosios visatos spinduliuotę, nebuvo lengva.

„Jei tai šveicariškas sūris, galaktikos padarykite skylutes, o mes ieškome sūrio“, – kol kas nesėkmingai sakė Davidas Deboeris, UC Berkeley radijo astronomijos laboratorijos tyrinėtojas astronomas.

Tačiau pratęsdamas šią analogiją, Dillonas pažymėjo: „Mes padarėme tai, kad sūris turi būti šiltesnis nei tuo atveju, jei nieko nebūtų nutikę. Jei sūris būtų tikrai šaltas, būtų lengviau pastebėti tą nelygumą nei jei sūris būtų šiltas“.

Tai dažniausiai atmeta šaltosios reionizacijos teoriją, kuri nustatė šaltesnį atspirties tašką. Vietoj to HERA tyrėjai įtaria, kad rentgeno spinduliai iš dvinarės rentgeno žvaigždžių pirmiausia įkaitino tarpgalaktinę terpę.

„Rentgeno spinduliai efektyviai sušildys visą sūrio bloką, kol nesusidarys skylės“, – sakė Dillonas. “Ir tos skylės yra jonizuoti bitai.”

„HERA toliau tobulėja ir nustato vis geresnes ribas“, – sakė Parsonsas. „Faktas, kad galime ir toliau veržtis į priekį ir turime naujų metodų, kurie ir toliau duoda vaisių mūsų teleskopui, yra puiku.

HERA bendradarbiavimui vadovauja UC Berkeley, jame dalyvauja mokslininkai iš visos Šiaurės Amerikos, Europos ir Pietų Afrikos.

Daugiau informacijos:
HERA bendradarbiavimas, patobulinti 21 cm EoR galios spektro suvaržymai ir IGM šildymas rentgeno spinduliais su HERA I fazės stebėjimais, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2210.04912

Citata: Ar ankstyvojoje visatoje galaktikos buvo labai skirtingos? (2023 m. sausio 24 d.) gauta 2023 m. sausio 25 d. iš https://phys.org/news/2023-01-galaxies-early-universe.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.