7 Minutės
Astrofizikai itin tiksliai išmatuojo Visatos temperatūrą tokioje būsenoje, kokia ji buvo prieš septynis milijardus metų — ir rezultatas gerai sutampa su vienu iš pagrindinių Didžiojo sprogimo (Big Bang) kosmologijos prognozių. Pasitelkę Atakamos milimetrinių/submilimetrinių bangų masyvo (ALMA) archyvineis stebėjimais, japonų tyrėjų komanda nustatė kosminio mikro bangų fono (CMB) temperatūrą tarpinėje epochoje ir išsiaiškino, jog ji buvo maždaug dukart didesnė nei šiandien.
Tiksli termometrija kosminės istorijos tyrimams
Keio universiteto mokslininkai, vadovaujami daktaro studijų studento Tatsuya Kotani ir profesoriaus Tomoharu Oka, analizavo silpną Didžiojo sprogimo aidą — kosminio mikro bangų fono spinduliuotę — ne tokį, koks ji matoma šalia, o tokį, koks ji būtų buvusi prieš maždaug septynis milijardus metų. Tyrimo rezultatas: CMB temperatūra 5,13 K ± 0,06 K. Palyginimui, dabartinė CMB temperatūra yra apie 2,7 K, taigi naujas matavimas yra apytiksliai du kartus didesnis.
Šis matavimas yra daugiau nei vien įdomi skaitinė reikšmė. Standartinis kosmologinis modelis prognozuoja, kad plečiantis Visatai šis fonas vėsėja, o temperatūra turi keistis proporcingai faktoriui (1 + z), kur z žymi raudonąjį poslinkį. Patvirtinimas apie CMB temperatūrą tarpinėse epochoje yra kritinis eksperimentinis testas šiai prognozei ir bendram kosminės evoliucijos aprašui.
Tokie temperatūros matavimai taip pat yra svarbūs kosmologinei termometrijai: jie leidžia patikrinti fizikos dėsnius, kurie galioja skirtingais Visatos istorijos laikotarpiais, ir sumažinti galimų naujos fizikos scenarijų laisvę. Tikslus ir mažo neapibrėžtumo matas užima reikšmingą vietą tarp ankstyvųjų ir šiandienos stebėjimų.
Kaip buvo atliktas matavimas
Temperature map of the cosmic microwave background measured by the Planck spacecraft (ESA and the Planck Collaboration)
Tyrėjų grupė išanalizavo ALMA archyvinees spektras, įrašytas iš ryškaus tolimos fono kvazaro. Kai kvazaro šviesa skrodė tarpžvaigždinę erdvę, ji praėjo per priekinę galaktiką, esančią maždaug prieš septynis milijardus metų. Šioje galaktikoje esantys molekulės sugeria ir išspinduliuoja radijo dažnio fotonus tam tikrais būdais, kurių santykis priklauso nuo aplinkinio radiacinio lauko intensyvumo ir spektro — t. y. nuo CMB. Kruopščiai modeliuodami molekulių ekscitacijos būsenas — ypač tų rūšių, kurių rotaciniai ir vibraciniai perėjimai yra jautrūs foniniam spinduliavimui — mokslininkai sugebėjo išvesti fono temperatūrą, kuri paveikė šią molekulių populiaciją.
Metodas pasiremiantis siaurais absorbcijos bruožais kvazaro spektre, kurie veikia tarsi mikroskopiniai termometrai. Tokie linijiniai santykiai tarp linijų intensyvumo, linijų santykių ir molekulių populiacijų leisdavo palyginti radiacinės ir kinetinės ekscitacijos indėlius. Kadangi taikoma molekulinė fizika yra gerai suprantama, o ALMA duomenys pasižymi aukšta spektrine raiška ir dideliu signalo triukšmo santykiu (S/N), gautas neapibrėžtumas (±0,06 K) yra įspūdingai mažas būtent šio raudonojo poslinkio intervale.
Techniniu požiūriu tyrimas rėmėsi radiaciniu perdavimu ir ne-LTE (ne termodynamic equilibrium) modeliavimu: autorių analizė apėmė tiek kolizinius veiksnius, tiek radiacinį peršalimą dėl CMB, taip pat įvertino galimą vietinę radiacinę aplinką (pvz., žvaigždžių spinduliavimas arba išorinės specifinės šviesos srovės). Tokie diferenciniai modeliai leidžia atskirti temperatūros poveikį nuo kitų įtakų, pavyzdžiui, tankio ar cheminės sudėties efektų, todėl patikimumas didėja.
The relative positions of the background quasar (bright flare at 11 billion years ago), the foreground galaxy producing HCN absorption (7 billion years ago), and the observer (ALMA; Present day). (Keiko University)
Tikslios molekulinės rūšys, į kurias orientavosi komanda, apima rotacinius perėjimus molekulėse kaip HCN, CO, CN ir kai kurias organines molekules, kurios yra pakankamai bendros tarp galaktikų ir turi perėjimus esamuose ALMA dažnio diapazonuose. HCN, paminėtas figūros antraštėje, yra ypatingai jautrus radiaciniam fonui dėl savo energijų pasiskirstymo rotacinėse būsenose — tai daro jį tinkamu indikatoriumi CMB temperatūrai nustatyti tarpiniais raudonio laikotarpiais.
Kodėl tai svarbu kosmologijai
CMB temperatūros patvirtinimas tarpinėse epochose sustiprina pasitikėjimą Didžiojo sprogimo modeliu ir bendru kosmologiniu standartu. Ankstyvieji stebėjimai — ypač su Planck kosminiu teleskopu ir kitomis CMB misijomis — kartu su vietiniais matavimais jau gerokai apribojo Visatos termodinaminę istoriją, tačiau tarpiniai tikrinimai iki šiol buvo retkesni. Ši nauja reikšmė užpildo svarbią spragą ir parodo, kad Visatos vėsumo elgsena atitinka teorinius lūkesčius per kelis milijardus metų.
Be to, tikslios temperatūros reikšmės riboja egzotinės fizikos scenarijus. Bet koks netikėtas nukrypimas nuo prognozuotos vėsimo dėsnio T(z) = T0(1 + z) galėtų reikšti papildomą energijos injekciją (pvz., egzotinius dalykus, pvz., netradicinį energijos išsiskyrimą iš tamsiosios materijos suardymo ar nuolatinio švytėjimo šaltinių), netipines tamsiojo sektoriaus sąveikas arba kitas ΛCDM modeliui prieštaraujančias peripetijas. Iki šiol matavimai, tokie kaip Kotani ir Oka atlikti, sugriežtina tokių scenarijų ribas ir sumažina galimų alternatyvių modelių erdvę.
Dar svarbiau tai, kad tokie duomenys suteikia kryžminius patikrinimus tarp skirtingų stebėjimo metodų: kosmologinės užuominos iš mikro bangų fono anizotropijų (pvz., Planck) turi sutapti su mikroskopiniais termodinaminiais indikatoriais, gaunamais iš molekulinių linijų. Tokia konsistencija didina pasitikėjimą kosminio vystymosi teorine sistema ir leidžia saugiau interpretuoti kitus kosmologinius parametrus, tokius kaip H0, Ωm ar tamsiosios energijos elgsena.
Ką tai reiškia praktiniu ir techniniu lygiu
Tokio tipo darbo privalumas yra jo tiesioginis ryšys tarp redukuotos spektroskopijos ir kosmologinio modelio parametrų. Molekulinė astrofizika suteikia priemones, leidžiančias susieti kvazaro spektrą su foniniu spinduliavimu, o ALMA duomenų kokybė daro šiuos metodus praktiškai realizuotus. Tai ypač svarbu siekiant išvengti sisteminių klaidų: pavyzdžiui, reikia įvertinti, ar absorbuojančioje galaktikoje nėra stiprios vietinės spinduliuotės, kuri galėtų perteikti papildomą radiacinį lauką ir falsifikuoti CMB signalą.
Analitiniai įrankiai, dažnai naudojami tokiuose tyrimuose, apima radiacinės perdavimo programinės įrangos paketus (pvz., RADEX, LVG tipo sprendinius) ir statistinius įvertinimus, tokia kaip Markovo grandinės Monte Carlo (MCMC) metodai, leidžiantys įvertinti parametrų pasiskirstymus ir koreliacijas. Sėkmė tokiose analizėse priklauso tiek nuo teisingos chemio-fizikinės prielaidų formuluotės, tiek nuo duomenų kokybės (spektrinė raiška, S/N, tikslus fono atėmimas), bei nuo robustaus neapibrėžtumo skaičiavimo.
Kokie iššūkiai ir ribotumai
Nors rezultatas yra įtikinamas, verta pabrėžti galimus sistemos ribotumus. Pirma, kiekvienas atvejis remiasi vienu ar keliais konkrečiais linijų santykiais ir viena linija ar keliomis molekulėmis; dėl to reikia platesnių mėginių, kad būtų galima atmesti koreliacijas su vietiniais astronominiais efektais. Antra, interpretacija priklauso nuo prielaidų apie molekulių tankį, temperatūrą ir kolizijų partnerius — jei šias prielaidas klaidingai įvertinsime, galima gauti šiek tiek iškreiptą fono temperatūros vertinį.
Visgi, tokio tipo darbo pranašumas yra galimybė patikrinti ir valdyti šiuos sisteminius efektus: atliekant papildomas linijų matavimus, stebint skirtingus perėjimus ir kryžminant duomenis iš kelių krypčių ir galaktikų, mokslinė bendruomenė gali sukurti tvirtesnį, reprezentatyvesnį tarpinio raudonio temperatūrų žemėlapį.
Kas toliau?
Ateityje ketinama išplėsti tarpinio raudonio matavimų imtį, naudojant ALMA ir kitas observatorijas stebėti skirtingas molekulines perėjimų eilutes bei papildomas linijas skirtinguose matymo taškuose. Platesnis duomenų rinkinys padidins statistinį patikimumą ir leis atlikti griežtesnes kosmologines provokacijas, kurios galėtų atskleisti subtilias anomalijas, jei jos egzistuoja.
Be to, tarptautinis koordinavimas tarp radijo, mm ir infraraudonųjų observatorijų suteiks platesnį spektrinį aprėptį, leidžiantį atskirti vietinius emisijos šaltinius nuo foninio CMB poveikio. Tokia daugiaspektrinė prieiga pagerina sistemos klaidų kontrolę ir padidina galimybes aptikti mažus, bet reikšmingus nuokrypius nuo standartinio modelio.
Šis rezultatas yra reikšmingas pasiekimas: elegantiškas molekulinės astrofizikos pritaikymas, skirtas ištirti termodinaminę istoriją, įrašytą Didžiojo sprogimo aidų foniniame švytėjime. Matavimo tikslumas ir metodologijos patikimumas suteikia gerą pavyzdį, kaip ateities stebėjimai gali žengti dar toliau ir pabandyti išsiaiškinti galimus naujos fizikos ženklus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą