Yeniden İyonlaşma Dizisinin Hidrojen Çağı (HERA), erken evrenden gelen 21 santimetrelik emisyonları tespit etmek için yukarı doğru bakan 350 tabaktan oluşur. Güney Afrika’daki kurak Karoo’nun radyo sessiz bir bölgesinde yer almaktadır. Kredi: Dara Storer
HERA’dan gelen son veriler, kozmik şafak radyasyonu araştırmasını geliştiriyor ve galaksi oluşumu teorilerini test ediyor.
İran’ın Karoo çölünde bulunan 350 radyo teleskoptan oluşan bir dizi Güney Afrika, yıldızların ilk kez ateşlendiği ve galaksilerin oluştuğu Büyük Patlama’yı takip eden dönem olan “kozmik şafağı” tespit etmeye yaklaşıyor.
Hidrojen Epoch of Reionization Array (HERA) ekibi, kabul edilen bir makaleyle duyurdu The Astrophysical Journal’da, evrenin tarihindeki bu eşsiz dönemi keşfetmeye adanmış dünyanın halihazırda en hassas radyo teleskobu olan dizinin hassasiyetini iki katına çıkardıklarını yayınladılar.
Henüz bunu yapmamışken Aslında kozmik karanlık çağların sonundan radyo emisyonlarını saptasalar da, sonuçları erken evrendeki yıldızların ve galaksilerin bileşimine dair ipuçları sağlıyor. Verileri özellikle, bugünkü galaksilerimizin aksine, ilk galaksilerin hidrojen ve helyum dışında çok az element içerdiğini gösteriyor.
Radyo antenleri tamamen çevrimiçi ve kalibre edildiğinde, ideal olarak bu sonbahar, ekip bir 3D oluşturmayı umuyor. Yaklaşık 200 milyon yıl öncesinden Büyük Patlama’dan yaklaşık 1 milyar yıl sonrasına kadar evrimleşen iyonize ve nötr hidrojen kabarcıklarının haritası. Harita bize ilk yıldızların ve galaksilerin bugün çevremizde gördüklerimizden ne kadar farklı olduğunu ve evrenin bir bütün olarak ergenlik döneminde nasıl göründüğünü söyleyebilir.
Samanyolu Galaksisi gece vakti HERA dizisinin üzerindeki gökyüzü. Teleskop yalnızca Samanyolu’nun ufkun altında olduğu Nisan ve Eylül ayları arasında gözlem yapabilir, çünkü galaksi, Yeniden İyonlaşma Döneminden gelen zayıf radyasyonun saptanmasını engelleyen çok fazla radyo gürültüsü üretir. Dizi, radyoların, cep telefonlarının ve hatta benzinle çalışan arabaların yasak olduğu radyo sessiz bir bölgede oturuyor. Kredi: Dara Storer
“Bu, kozmolojide potansiyel olarak devrim niteliğinde bir tekniğe doğru ilerliyor. California Üniversitesi, Berkeley Astronomi Bölümü’nde araştırma bilimcisi ve makalenin baş yazarı Joshua Dillon, “İhtiyacınız olan hassasiyete indiğinizde, verilerde çok fazla bilgi var” dedi. “Evrendeki parlak maddenin çoğunun 3B 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, Yeniden İyonlaşma Çağı sırasında oluşan galaksilerin yalnızca en parlaklarını görebilir; yıldızları galaksiler arası ortamı ısıtıp hidrojen gazının çoğunu iyonlaştıran daha küçük ama sayıları çok daha fazla olan cüce galaksileri değil.
HERA arar. bu ilk yıldızlar ve galaksiler arasındaki boşluğu dolduran nötr hidrojenden gelen radyasyonu tespit etmek ve özellikle, hidrojenin iyonlaştığı için radyo dalgaları yaymayı veya emmeyi ne zaman durdurduğunu belirlemek.
HERA ekibinin kozmik karanlık çağın soğuk hidrojeni içindeki bu iyonize hidrojen kabarcıklarının henüz tespit edilememiş olması, erken evrende yıldızların nasıl evrimleştiğine dair bazı teorileri geçersiz kılıyor.
Veriler özellikle, oluşmuş olabilecek en eski yıldızların Büyük Patlama’dan yaklaşık 200 milyon yıl sonra, hidrojen ve helyum dışında birkaç element daha içeriyordu. 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 ilişkin mevcut modelle tutarlıdır.
“Olmamamız için eski galaksilerin bugün gözlemlediğimiz galaksilerden önemli ölçüde farklı olması gerekir. HERA’nın baş araştırmacısı ve UC Berkeley astronomi doçenti Aaron Parsons, bir sinyal gördü. “Özellikle, X-ışını özelliklerinin değişmiş olması gerekir. Aksi takdirde aradığımız sinyali bulurduk.”
Evrenin ilk zamanlarındaki yıldızların atomik bileşimi, yıldızlar oluşmaya başladıktan sonra galaksiler arası ortamı ısıtmanın ne kadar süreceğini belirledi.Birkaç ağır elementle, yoldaşın kütlesinin büyük bir kısmı kara deliğin üzerine düşmek yerine savrulur, bu da daha az X-ışınları ve çevredeki bölgenin daha az ısınması anlamına gelir.
Yeni veriler, en popüler teorilere uyuyor. Büyük Patlama’dan sonra yıldızların ve galaksilerin nasıl oluştuğu, ancak diğerlerinin oluşmadığı. HERA verilerinin bir yıl önce bildirilen ilk analizinden elde edilen ön sonuçlar, bu alternatiflerin – özellikle soğuk yeniden iyonlaştırmanın – olası olmadığını ima etti.
“Sonuçlarımız, yeniden iyonlaşmadan önce ve 450 milyon yıl kadar geç bir tarihte bunu gerektiriyor. Büyük Patlama’dan sonra galaksiler arasındaki gaz X-ışınları tarafından ısıtılmış olmalıdır. Bunlar muhtemelen bir yıldızın eşlik eden bir kara deliğe kütle kaybettiği ikili sistemlerden geldi,” dedi Dillon. “Sonuçlarımız, eğer durum buysa, bu yıldızların güneşimize kıyasla çok düşük ‘metaliklik’, yani hidrojen ve helyum dışında çok az element olması gerektiğini gösteriyor. diğer elementlerin çoğu oluşmadan önce evrendeki süre.”
Yeniden İyonlaşma Dönemi
Evrenin 13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama’daki kökeni, sıcak bir enerji kazanı üretti ve Protonlar ve elektronlar atomları oluşturmak için bir araya gelmeden önce yüzbinlerce yıl boyunca soğuyan temel parçacıklar – başlıca hidrojen ve helyum. Hassas teleskoplarla gökyüzüne bakan gökbilimciler, Büyük Patlama’dan yalnızca 380.000 yıl sonra, kozmik mikrodalga arka planı olarak bilinen bu andan itibaren sıcaklıktaki hafif değişimleri ayrıntılı olarak haritaladılar.
Bu kalıntı ısı dışında radyasyon, bununla birlikte, erken evren karanlıktı. Evren genişledikçe, madde kümeleri galaksileri ve yıldızları tohumladı ve bunlar da yıldızlar arasındaki gazı ısıtan radyasyon – ultraviyole ve X-ışınları – üretti. Bir noktada hidrojen iyonlaşmaya başladı – elektronunu kaybetti – ve nötr hidrojen içinde kabarcıklar oluşturarak Yeniden İyonlaşma Çağının başlangıcını işaret ediyor.
Bu kabarcıkların haritasını çıkarmak için HERA ve birkaç başka deney, nötr hidrojenin emdiği ve yaydığı, ancak iyonize hidrojenin yaymadığı bir ışık dalga boyu. 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 genişlemesiyle kırmızıya kaymıştır. dalga boyu 10 kat daha uzun – yaklaşık 2 metre veya 6 fit. HERA’nın kümes teli, PVC boru ve telefon direklerinden oluşan oldukça basit antenleri, bu radyasyonu toplayıp dedektörlere odaklamak için 14 metre çapındadır.
“İki metre dalga boyunda, kümes tel örgü bir ayna,” dedi Dillon. “Ve tabiri caizse tüm karmaşık şeyler, süper bilgisayarın arka ucunda ve ardından gelen tüm veri analizinde.”
Yeni analiz, 2017 ve 2018’de yaklaşık 94 gece gözleme dayanmaktadır. 40 anten — dizinin 1. aşaması. Geçen yılın ön analizi, 18 gecelik faz 1 gözlemlerine dayanıyordu.
Yeni makalenin ana sonucu, HERA ekibinin, yaklaşık 650 milyon yıl sonra yayılan ışık için dizinin hassasiyetini 2,1 kat artırdığıdır. Büyük Patlama (kırmızıya kayma veya dalga boyunda 7,9’luk artış) ve Büyük Patlama’dan yaklaşık 450 milyon yıl sonra yayılan radyasyon için 2,6 (kırmızıya kayma 10,4).
HERA ekibi, Teleskobun kalibrasyonu ve veri analizi, erken evrende, Dünya’nın çevresindeki radyo gürültüsünün yaklaşık 1 milyonda biri kadar olan bu kabarcıkları görme umuduyla. Erken evrenden gelen radyasyonu görmek için yerel radyo gürültüsünü filtrelemek kolay olmadı.
“İsviçre peyniriyse, delikleri galaksiler oluşturuyor ve biz de peyniri arıyoruz”, şimdiye kadar, UC Berkeley Radyo Astronomi Laboratuvarı’nda araştırma astronomu olan David Deboer, başarısız olduğunu söyledi.
Ancak bu benzetmeyi genişleten Dillon, “Biz peynirin hiç yoktan daha sıcak olması gerektiğini söyledik. olmuştu. Peynir gerçekten soğuk olsaydı, bu düzensizliği gözlemlemek peynirin ılık olmasına göre daha kolay olurdu.”
Bu, daha soğuk bir başlangıç noktası öneren soğuk yeniden iyonlaşma teorisini çoğunlukla geçersiz kılar. Bunun yerine HERA araştırmacıları, bunun yerine, X-ışını ikili yıldızlarından gelen X-ışınlarının önce galaksiler arası ortamı ısıttığından şüpheleniyorlar.
“X-ışınları, delikler oluşmadan önce tüm peynir bloğunu etkili bir şekilde ısıtacaktır. dedi Dillon.”İlerlemeye devam edebilmemiz ve teleskopumuz için meyve vermeye devam eden yeni tekniklerimizin olması harika.”
Referans: “21 cm EoR Güç Spektrumunda İyileştirilmiş Kısıtlamalar ve HERA İşbirliği ile IGM’nin X-Ray Isıtması ile HERA Faz I Gözlemleri”: Zara Abdurashidova, Tyrone Adams, James E. Aguirre, Paul Alexander, Zaki S. Ali, Rushelle Baartman, Yanga Balfour, Rennan Barkana, Adam P Beardsley, Gianni Bernardi, Tashalee S. Billings, Judd D. Bowman, Richard F. Bradley, Daniela Breitman, Philip Bull, Jacob Burba, Steve Carey, Chris L. Carilli, Carina Cheng, Samir Choudhuri, David R. DeBoer, Eloy de Lera Acedo, Matt Dexter, Joshua S. Dillon, John Ely, Aaron Ewall-Wice, Nicolas Fagnoni, Anastasia Fialkov, Randall Fritz, Steven R. Furlanetto, Kingsley Gale-Sides, Hugh Garsden, Brian Glendenning, Adélie Gorce, Deepthi Gorthi , Bradley Greig, Jasper Grobbelaar, Ziyaad Halday, Bryna J. Hazelton, Stefan Heimersheim, Jacqueline N. Hewitt, J a. Hickish, Daniel C. Jacobs, Austin Julius, Nicholas S. Kern, Joshua Kerrigan, Piyanat Kittiwisit, Saul A. Kohn, Matthew Kolopanis, Adam Lanman, Paul La Plante, David Lewis, Adrian Liu, Anita Loots, Yin-Zhe Ma , David H.E. MacMahon, Laurence Malan, Keith Malgas, Cresshim Malgas, Matthys Maree, Bradley Marero, Zachary E. Martinot, Lisa McBride, Andrei Mesinger, Jordan Mirocha, Mathakane Molewa, Miguel F. Morales, Tshegofalang Mosiane, Julian B. Muñoz, Steven G. Murray, Vighnesh Nagpal, Abraham R. Neben, Bojan Nikolic, Chuneeta D. Nunhokee, Hans Nuwegeld, Aaron R. Parsons, Robert Pascua, Nipanjana Patra, Samantha Pieterse, Yuxiang Qin, Nima Razavi-Ghods, James Robnett, Kathryn Rosie, Mario G. Santos, Peter Sims, Saurabh Singh, Craig Smith, Hilton Swarts, Jianrong Tan, Nithyanandan Thyagarajan, Michael J. Wilensky, Peter K. G. Williams, Pieter van Wyngaarden ve Haoxuan Zheng, 19 Ocak 2023, The Astrophysical Journal.
{ 4}DOI: 10.48550/arXiv.2210.04912
HERA işbirliği, UC Berkeley tarafından yönetiliyor ve Kuzey Amerika, Avrupa ve Güney Afrika’dan bilim adamlarını içeriyor. Dizinin inşası, Güney Afrika hükümeti ve Güney Afrika Radyo Astronomi Gözlemevi’nin (SARAO) temel desteğiyle Ulusal Bilim Vakfı ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından finanse edilmektedir.
.