8 Minutės
Įsivaizduokite, kad klausotės Visatos, kai ji dar buvo tamsoje. Japonų mokslininkai teigia, kad tylus radijo spinduliavimas iš kosminiųjų „Tamsiųjų amžių“ galėtų atskleisti tamsiosios materijos savybes — nematomos medžiagos, formuojančios galaktikas ir didžiąją dalį Visatos masės. Naujos aukštos skiriamosios gebos kosmologinės simuliacijos rodo, kad Mėnulio radijo teleskopai gali būti vieni palankiausių instrumentų aptikti tokį silpną 21 cm signalo šnabždesį. Šio straipsnio tikslas — paaiškinti, kodėl 21 cm linija yra svarbi kosmologijai, kaip skiriasi šios signalų prognozės priklausomai nuo tamsiosios materijos modelių, bei kodėl Mėnulio tolimasis šonas yra ypač patogus vieta atlikti tokius matavimus. Nepaisant technologinių iššūkių, derinant pažangias simuliacijas, instrumentų projektavimą ir misijas Mėnulyje, galima tikėtis reikšmingų pažangų tiriant tamsiosios materijos fiziką ir ankstyvąsias Visatos sąlygas. Straipsnyje aptariami pagrindiniai terminai, stebėjimo metodai, potenciniai klaidų šaltiniai bei galimos interpretacijos, susijusios su 21 cm signalu ir tamsiąja materija.
Kodėl 21 centimetro signalas yra svarbus
Apie 13,8 milijardo metų atgal įvyko Didysis sprogimas, sukūręs mūsų pastebimą Visatą. Maždaug po 400 000 metų, kai temperatūra sumažėjo, protonai ir elektronai susijungė į neutralų vandenilį, o tai pažymėjo ilgą, šviesos neturintį periodą vadinamą Tamsiaisiais amžiais. Būtent šiame tarpsnyje, dar prieš pirmųjų žvaigždžių ir galaktikų formavimąsi, neutralūs vandenilio atomai galėjo sugerti arba spinduliuoti radijo bangas charakteringame 21 centimetro bangos ilgyje — tai vadinama 21-cm linija. Ši linija yra itin vertinga kosmologijai: ji fiksuoja du svarbius parametrus — pirminio dujų kinetinę temperatūrą ir tankį — per atitinkamus fotonų ir atomo sąveikos mechanizmus, tokius kaip kolizinis sujungimas. Todėl 21 cm signalas veikia kaip diagnostikos priemonė, leidžianti rekonstruoti ankstyvųjų epochų fiziškai sąlygas, įskaitant galimą tamsiosios materijos įtaką medžiagos susitelkimui ir šiluminiam evoliucionavimui. Supratimas, kada ir kaip 21 cm linija atsirado arba pasikeitė, gali pateikti užuominų apie tamsiosios materijos savybes, pavyzdžiui, ar ji buvo „šalta“ (cold dark matter) ar „šilta“ (warm dark matter), nes skirtingi modeliai lemia skirtingą struktūrų formavimąsi mažesniu mastu ir todėl skirtingus 21 cm signalo laiko bei amplitudės profilius.
Be to, 21 cm signalas leidžia tirti ne tik erdvines dujų svyravimus, bet ir termodinamiką ankstyvosios Visatos laikais: santykį tarp spin temperatūros (Ts) ir foninio kosminio mikrofoninio spinduliavimo temperatūros (TCMB). Kai Ts skiriasi nuo TCMB, stebimas gebėjimas tiek absorbuoti, tiek spinduliuoti radijo energiją, o tai tiesiogiai susiję su fizikinių procesų eiga vandenilio dujose. Nors pirmosios žvaigždės ir jų ultravioletinė spinduliuotė vėliau stipriai paveikė 21 cm signalą per Wouthuysen–Field efektą, tamsųjų amžių metu signalą daugiausia lemdavo kolizijos ir kinetinė temperatūra. Todėl 21 cm linija iš Tamsiųjų amžių yra unikali tuo, kad ji fiksuoja negrįžtamą periodą, kuri gali atskleisti pačią tamsiosios materijos prigimtį ir jos vaidmenį ankstyvųjų struktūrų evoliucijoje.
Simuliacijos rodo menką, bet aptinkamą pėdsaką
Tsukubos universiteto ir Tokijo universiteto mokslininkų grupės taikė aukštos skiriamosios gebos kosmologines simuliacijas, kad modeliuotų, kaip dujos ir tamsioji materija elgtųsi Tamsiųjų amžių laikotarpiu. Tokios simuliacijos apima N-kūnų algoritmus tamsiosios materijos dinamikai ir papildomus hidrodinaminius skaičiavimus, skirtus baryoninėms dujoms. Analizėje palyginti tiek „šalto“ (CDM), tiek „šiltesnio“ (WDM) tipo tamsiosios materijos scenarijai, leidžiantys įvertinti, kaip dalelių masė ir pradinis greičių pasiskirstymas veikia mažo masto struktūrų formavimąsi. Vykdydami šiuos scenarijus, tyrėjai apskaičiavo laukiamą vidutinę (sky-averaged) 21-cm spinduliavimo ryškumo temperatūrą per reikšmingą radijo dažnių juostą, taip modeliuodami globalų signalo profilį, kurį galima bandyti išmatuoti tikrais teleskopais.
Simuliacijų rezultatai prognozuoja globalų signalą maždaug 1 millikelvin amplitudėje — tai yra maždaug tūkstantoji laipsnio dalis ryškumo temperatūros skalėje — pasiskirsčius per atitinkamą radijo juostą. Svarbiausias aspektas yra tas, kad skirtingi tamsiosios materijos modeliai keičia šio silpno švytėjimo laiko žymenis ir amplitudę: dalelių masės didėjimas arba mažėjimas, taip pat jų pradinis greičių pasiskirstymas, gali palikti subtilius skirtumus signale. Tokie skirtumai gali būti lokalizuojami maždaug 45 MHz pločio dažnių intervale, priklausomai nuo pasirinkto raudoninio (redshift) spektrosektoriaus, tad globalus 21-cm profilio matavimas tampa potencialiu tamsiosios materijos fizikos žymeniu. Be to, simuliacijos atsižvelgia į papildomas fizines sąveikas, tokias kaip termodinaminis perdavimas tarp baryonų ir tamsiosios materijos per gravitaciją, bei radiacinio foninio spinduliavimo poveikį, kas suteikia platesnį kontekstą potencialiems stebėjimo interpretacijoms.
Simuliuotus šalto ir šilto tamsiosios materijos pasiskirstymus pateikiama kaip dalelės, atspalviuotos pagal jų temperatūrą, kartu su iliustracija, vaizduojančia Mėnulio radijo teleskopus. Nuotraukos ir vizualizacijos padeda interpretuoti, kaip skirtingi modeliai gali palikti matomus skirtumus 21 cm signale. Credit: Hyunbae Park, University of Tsukuba. Šie vaizdai yra svarbi ryšio priemonė tarp teorinių prognozių ir praktinių instrumentinių reikalavimų: jie leidžia inžinieriams ir stebėtojams suprasti, kokio jautrumo antenų ir matavimo metodų reikia, kad būtų galima atskirti CDM ir WDM tipo efektus nuo foninių triukšmų ir sisteminių klaidų. Vizualizacijos taip pat padeda parengti eksperimentinius algoritmus, skirtus signalo ekstrakcijai iš didelio lauko duomenų srautų bei numatyti reikiamas integracijos trukmes ir dažninio skiriamojo galimybės.
Mėnulio radijo teleskopai: tyli vieta klausytis
Žemės paviršiuje veikiantys radijo stebėjimo centrai dažnai susiduria su žmogaus sukeltu elektroniniu triukšmu (RFI) ir jonosferos sukeltais iškraipymais, kurie ypač stiprūs žemo dažnio ruožuose. Mėnulio tolimasis šonas yra išskirtinai rami radijo aplinka: už Mėnulio disko buvantis regionas yra natūraliai užstotas nuo Žemės radijo bangų, todėl čia stebėjimai žemo dažnio juostose — pvz., žemiau ~100 MHz — gali būti atliekami esant gerokai mažesniam foniniam triukšmui. Be to, Mėnulio aplinka yra stabili termiškai ir neturi atmosferos sluoksnių, tokių kaip jonosfera, kurie Žemėje iškreipia signalo fazę ir amplitudę — tai mažina korekcijų ir kalibracijų sudėtingumą, palyginti su Žemės pagrindu įrengtais instrumentais.
Šiuo metu keletas misijų ir koncepcijų siūlo įrengti radijo antenų masyvus ant Mėnulio paviršiaus arba net palei jo tolimąjį šoną. Japonijos Tsukuyomi projektas yra vienas iš tokių darbų, orientuotų į žemo dažnio radijo astronomiją iš Mėnulio, kartu su kitomis koncepcijomis — tiek akademinėmis, tiek kosmoso agentūrų inicijuotomis — kurios numato mažų, lengvų, skleidžiamų arba savaime išsiskleidžiančių antenna tinklų išdėstymą. Jei Mėnulio teleskopas galėtų tiksliai įvertinti globalų 21-cm signalą per prognozuotą dažnių juostą, astronomai galėtų apriboti tamsiosios materijos dalelės savybes tokiu būdu, kuris papildytų dalelių fizikos eksperimentus ir galaktikų apžvalgas. Mėnulio misijos taip pat gali pasiūlyti ilgalaikę stabilią platformą didinti integracijos trukmes, reikalingas aptikti milikelvino lygio signalus, ir atlikti sisteminius patikrinimus, kurie Žemėje būtų pernelyg sudėtingi ar brangūs.
Ką tai reiškia tamsiosios materijos tyrimams
21-cm globalaus signalo aptikimas iš Tamsiųjų amžių atvertų naują, tiesioginę panoramą į nematomą Visatos pusę. Vietoje tik netiesioginių efektų, tokių kaip galaktikų sukimasis ar gravitacinis lęšiavimas, mokslininkai gautų tiesioginį įrankį tirti, kaip tamsioji materija formavo neutraliojo vandenilio terminę istoriją ir tankio svyravimus. Toks signalas galėtų padėti skirtyti skirtingas tamsiosios materijos hipotezes: pavyzdžiui, ar tamsiosios materijos dalelės yra savitos, masyvios ir „šaltos“, leidžiančios smulkaus masto struktūros formavimąsi, ar jos yra „šiltesnės“, slopinančios mažesnes struktūras ir mažinčios kontrastą anksčiau aprašytose erdvėse.
Tai nereiškia, kad atradimas yra artimas arba garantuotas — signalas yra itin silpnas, instrumentiniai reikalavimai ir triukšmo šalinimo (foreground removal) algoritmai yra sudėtingi, o Mėnulio misijų logistika ir paleidimo kaštai nėra menki. Visgi nuoseklus simuliacijų, instrumentų kūrimo ir pilotinių misijų derinys žymiai padidina tikimybę, kad per ateinančius dešimtmečius bus gauti reikšmingi duomenys. Jei praktikoje pavyktų patikimai išmatuoti globalų 21-cm signalą nuo Tamsiųjų amžių, tai leistų ne tik susiaurinti tamsiosios materijos modelių laukas, bet ir tiesiogiai įvertinti ankstyvosios Visatos termodinaminius procesus. Tokiu būdu Mėnulio radijo teleskopai galėtų pakelti tamsiosios materijos tyrimus iš spekuliacijų į matuojamą, kvantifikuojamą mokslą, prisidedant prie platesnio kosmologijos ir astrofizikos supratimo.
Galiausiai, svarbu pažymėti, kad sėkmė šiame lauke priklausys nuo kelių tarpusavyje susijusių sričių pažangos: pažangių signalo išskyrimo metodų (įskaitant dirbtinio intelekto algoritmus ir statistinius filtrus), patikimų instrumentų kalibravimo strategijų bei tarptautinio bendradarbiavimo Mėnulio misijose. Tokie projektai taip pat gali sukurti papildomas technologines infrastruktūras žemo dažnio radijo astronomijai, skatinti instrumentų miniaturizaciją bei autonominių nusileidimo ir išdėstymo sprendimų vystymą. Visa tai leidžia optimistiškai žvelgti į ateitį: nors iššūkiai dideli, mokslinis pelnas galėtų būti tolygus pažangai sprendžiant vienus iš fundamentaliausių klausimų apie Visatą — ką sudaro didžioji jos dalis ir kaip ši nematoma medžiaga formavo pasaulį, kurį dabar stebime.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą