9 Minutės
Po daugiau nei 13 milijardų metų nuo Didžiojo sprogimo vandenilio atomų šnabždesys gali pagaliau atskleisti, kaip gimė pirmosios žvaigždės. Sekdami senovinį 21 centimetrų radijo signalą, likusį ankstyvojoje visatoje, astronomai vysto naujas statistines ir fizikinės interpretacijos priemones, leidžiančias spręsti apie pirmosios žvaigždžių kartos mases, šviesumą ir poveikį aplinkai — net jei šios žvaigždės tiesiogiai stebėti per tolimos ir blankios.
Kodėl radijo šnabždesys svarbus Kosminei Aušrai
Įsivaizduokite visatą kaip didžiulę, šaltą miglą. Keliolika milijonų metų po Didžiojo sprogimo šią miglą daugiausia sudarė neutralus vandenilis. Pirmosios žvaigždės įsijungė, apšvietė aplinką ultravioletine ir rentgeno spinduliuote, ir ištiesė anksčiau homogenišką miglą į išraiškingą, daugiaplanišką kraštovaizdį. Šis lūžis vadinamas Kosmine Aušra (Cosmic Dawn) — momentu, kai kosminė tamsa pradėjo trauktis ir vietoje jos iškilo pirmoji žvaigždžių šviesa.
Pagrindinis rakto komponentas šios eros studijoms yra vadinamasis 21 centimetrų signalas — menkas radijo spinduliavimas, kylantis dėl hiperfininės neutralio vandenilio atomo elektronų ir protonų spininės energijų pakaitos. Šis signalas sklinda per daugiau nei 13 milijardų metų ir įrašo informaciją apie radiacinius laukus, temperatūras bei jonizacijos laipsnį ankstyvajame intergalaktiniame terpėje. Kadangi optiniai teleskopai, pvz., JWST, negali išskirti atskirų pirmųjų žvaigždžių, radijo stebėjimai atveria papildomą langą: jie fiksuoja statistinius visų žvaigždžių populiacijų bei jų liekanų pėdsakus ir taip leidžia rekonstruoti didelio masto procesus.
Iš esmės 21 cm signalas suteikia tris svarbius informacijos sluoksnius: (1) Lyman-alfa jungtis (Wouthuysen–Field mechanizmas), kuri atkuria vandenilio spinų temperatūrą ir sujungia ją su kinetine dujų temperatūra, (2) X spindulių įkaitinimas, pakeičiantis dujų šiluminę istoriją, ir (3) jonizacijos raidą, kuri žymi pūslelių formavimąsi ir susiliejimą. Kartu šie procesai suformuoja signalo absorbcijos ir emisijos bruožus, kuriuos dabar bandoma išmatuoti per radijo astronomijos eksperimentus.
Naujas modeliavimas sieja 21-cm pėdsaką su žvaigždžių masėmis
Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Kembridžo universiteto (University of Cambridge) tyrėjų, parodė, kad 21 centimetrų signalo forma ir evoliucija yra jautrios pirmųjų žvaigždžių masių pasiskirstymui — vadinamajai Populiacijai III (Population III). Integravę realistišką pirmykštės chemijos aprašymą, radiacijos transportą ir didelio masto kosmologinius skaičiavimus, autoriai sukūrė skaitines lentas (angl. templates), kurios leidžia prognozuoti, kaip skirsis signalo laikas ir amplitudė priklausomai nuo to, ar pirmosios žvaigždės buvo daugiausia masyvios, ar daugiau mažesnių masių.
Modeliuose įtraukta daugybė fiziškai pagrįstų efektų: cheminės sintezės keliai, molekulinio vandenilio (H2) susidarymas, Lyman-alfa fotonų sklaida ir jų poveikis spinų temperatūrai, taip pat rentgeno spinduliuotės šaltinių — ypač X spindulių dvinarinių sistemų — įtaka. Tokie holistiniai požiūriai yra būtini, nes signalo bruožai atsiranda dėl kelių sujungtų procesų, kuriuos atskirai analizuojant galima netinkamai įvertinti.
Ypač svarbu, kad modelyje atsižvelgiama į X spindulių dvinarines sistemas (X-ray binaries) — sistemas, kuriose įprasta žvaigždė skrieja apie kompaktišką likutį, pavyzdžiui, neutroninę žvaigždę arba juodąją skylę. Kai Populiacijos III žvaigždės baigia gyvavimą, dauguma jų gali palikti tokias kompaktiškas liekanas; šių liekanų akrecijos procesai generuoja rentgeno spindulius, kurie šildo ir jonizuoja aplinkines dujas, palikdami aiškų pėdsaką 21 cm signale. Ankstesni tyrimai linkę nuvertinti šio poveikio stiprumą, nepakankamai įvertindami tiek X spindulių dvinarinių sistemų skaičių, tiek jų šviesumą pirmykštėse populiacijose.
REACH ir SKA: du instrumentai, klausantys Aušros
REACH: specializuota antena globaliniams pėdsakams
REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) yra kalibruota antenų sistema, skirta aptikti dangaus vidutinį 21 cm signalą (global signal). Nors eksperimentas vis dar pereina per sudėtingą antenų ir sistemos kalibracijos etapą, REACH tikslas — išmatuoti bendrą radijo švytėjimą, kuriame įrašytas pirmosios šviesos laikas, X spindulių įkaitinimo pradžia ir ultravioletinės radiacijos išsiveržimas iš ankstyvųjų žvaigždžių. Globalinis signalas neparodo erdvinio pritemimo, tačiau suteikia aiškų chronologinį ženklą, kada vyko skirtingi fizikiniai perėjimai.
REACH techniniai iššūkiai apima antenos spindulio dažninį kirpimą (beam chromaticity), didžiosios šalies (foreground) modeliavimą, instrumentinės temperatūros ir sistemos atsako stabilumo palaikymą bei tikslų kosminio signalo atskyrimą nuo daug ryškesnių vietinių šaltinių. Siekiant pagerinti patikimumą, REACH komanda jungia pažangias statistines metrikas ir parametru vizualizacijos priemones, kurios leidžia įvertinti, kaip kalibracijos netikslumai veikia išvestas kosmologines interpretacijas.
SKA: kaištinis žemėlapis fluktuacijoms danguje
Square Kilometre Array (SKA) — daug didesnės apimties projektas, statomas kaip interferometrų masyvas, skirtas žemėlapiuoti erdvines 21 cm signalo fluktuacijas. Vietoje to, kad būtų gaunami vaizdai pavienių žvaigždžių, SKA sieks atvaizduoti neutralaus vandenilio lauko didelio masto struktūrą, parodydama, kaip jonizuotų dujų kišenės augo ir susijungė Kosminės Aušros metu ir vėliau, per jonizacijos epochą (Epoch of Reionization).
SKA jautrumas ir erdvinis bei dažninis rezoliucijos diapazonas leis išmatuoti signalo galios spektrą (power spectrum), trečiojo ir aukštesniojo momentus, taip pat atlikti kryžmines koreliacijas su galaktikų katalogais ir infraraudonųjų spindulių kampinėmis matavimais. Dėl milžiniškų duomenų srautų SKA reikalauja didelio skaičiavimo pajėgumo, pažangios duomenų analizės ir tam tikrų automatizuotų ruošiamosios bei pataisos algoritmo etapų, kad būtų išgauta reali kosmologinė informacija iš triukšmingų radijo duomenų.
Kartu REACH ir SKA suteikia papildomas metodikas: REACH fiksuoja globalią chronologiją, o SKA tiria statistinę „ženklumą“ erdvėje — vietišką nelygumą, kuris atspindi pirmųjų šaltinių mases, ryškumus ir erdvinę pasiskirstymą.
Ką naujasis tyrimas rado ir kodėl tai svarbu
Kembridžo vadovaujama komanda parengė prognozinius šablonus 21 cm signalui skirtingomis prielaidomis apie Populiacijos III žvaigždžių mases, ultravioletinės spinduliuotės efektyvumą ir X spindulių emisiją iš dvinarinių sistemų. Tyrimo rezultatai rodo, kad absorbcijos ir emisijos bruožų laikas bei amplitudė spektruose pažymiai kinta tiek, kiek skiriasi žvaigždžių masės pasiskirstymas arba X spindulių šildymo intensyvumas.
Trumpai tariant: 21 cm signalas yra ne tik ankstyvosios visatos termometras ir laikrodis — jis taip pat veikia kaip grubus žvaigždžių masių skalės indikatorius. Jei REACH ir SKA aptiks prognozuotus bruožus, astronomai galės nustatyti, ar pirmosios žvaigždės buvo išskirtinai masyvios („top-heavy“ IMF scenarijus), ar vyraujančios buvo mažesnės masės žvaigždės, taip pat spręsti, kiek jų mirties liekanos prisidėjo prie ankstyvųjų X spindulių šaltinių, kurie vėliau paveikė žvaigždžių formavimąsi.
Kaip teigė Kembridžo Instituto Astronomijos profesorė Anastasia Fialkov, viena iš straipsnio bendraautorės: "Tai unikali galimybė sužinoti, kaip pirmoji visatos šviesa iškilo iš tamsos. Pereinamasis etapas nuo šaltos, tamsios visatos prie žvaigždėmis pripildytos erdvės yra istorija, kurią tik pradedame suprasti." Ši citata pabrėžia tyrimo reikšmę — ne tik kaip teorinio laimėjimo, bet ir kaip praktinio gairių plano artėjančioms stebėjimų kampanijoms.
Pasekmės kosmologijai ir galaktikų formavimuisi
Supratimas apie Populiacijos III žvaigždžių masių pasiskirstymą turi plačias pasekmes. Masyvios pirmos žvaigždės gamina skirtingus cheminių elementų kiekius ir palieka skirtingas juodųjų skylių liekanas nei mažesnės masės žvaigždės, kas lemia ankstyvą metalų prisotinimą (metal enrichment) ir supermasyvinių juodųjų skylių sėklų formavimąsi. Šių procesų eiga gali nulemti, kaip greitai ir kokiomis sąlygomis pradėjo formuotis vėlesnės žvaigždžių kartos bei ankstyvosios galaktikos.
X spindulių įkaitinimo laikas bei intensyvumas taip pat tiesiogiai veikia, kada ir kaip tarpgalaktinė terpė (intergalactic medium, IGM) atvėso arba sušilgo — tai savo ruožtu daro įtaką gravitacinių žlugimų dažniui ir baryonų kondensacijai į galaktikas. Kitaip tariant, ankstyvi rentgeno šaltiniai gali skatinti arba slopinti vėlesnę žvaigždžių formaciją priklausomai nuo vietinės šiluminės pusiausvyros.
Be to, ribojant ankstyvuosius X spindulių šaltinius, mes geriau suprantame ankstyvą juodųjų skylių augimą ir dvejetainių sistemų formavimąsi — procesus, kurie pastebimi įvairiuose bangos ilgiuose: nuo rentgeno iki infraraudonųjų bei radijo. Radijo stebėjimų ir teleskopų tokių kaip JWST, o ateityje ir X spindulių observatorijų (pvz., Athena ar panašių misijų) sinergija suteiks daugiasluoksnį, daugiabangį vaizdą apie naujagimę visatą.
Ekspertų įžvalgos
"Radijo astronomija suteikia mums statistinį mikroskopą epochoms, kurias negalime tiesiogiai įamžinti vaizduose," sako dr. Maya Hossain, astrofizikė, nedalyvavusi šiame tyrime. "Jungdami globalinius signalus iš instrumentų kaip REACH su erdviniais žemėlapiais iš SKA, galime pradėti atskirti ultravioletinės ir X spinduliuotės vaidmenis formuojant pirmąsias galaktikas. Tai tarsi rekonstruoti nuotrauką iš ore likusių aidų." Tokios ekspertų nuomonės pabrėžia, kad šios metodikos pasiūlo unikalią analizės priemonę, kurios šiuo metu trūksta tradicinėse optinėse ar infraraudonųjų spindulių stebėjimuose.
Iššūkiai ir kelias į priekį
21 cm signalo aptikimas ir interpretavimas lieka technologiškai sudėtingas. Priekinis fonas (foreground) iš mūsų Galaktikos, taip pat žmogaus sukeltas radijo triukšmas (RFI) yra keliais ar kelias dešimtis, o kartais ir šimtais kartų ryškesni už kosmologinį signalą, todėl reikalingi itin kruopštūs kalibracijos metodai ir sudėtinga modelių įvairovė, leidžianti patikimai atskirti vietinį triukšmą nuo tikros kosminės informacijos. Ionosferos pokyčiai, antenų charakteristikų neatitikimai ir sisteminiai instrumentiniai efektai dar labiau apsunkina užduotį.
REACH nuolat tobulina metodus, skirtus atskirti priekinį foną ir koreguoti sistemos atsaką, pvz., taikant parametrinius ir neparametrinius signalų atstatymo metodus. SKA, savo ruožtu, pasikliaus milžiniškais skaičiavimo ištekliais ir pažangia automatine duomenų apdorojimo infrastruktūra, kad ištraukų silpnus fluktuacijų ženklus iš didelių duomenų masyvų. Be to, būtina kryžminė validacija: vienos ar kelių nepriklausomų eksperimentų sutapimas padidins aptikimo patikimumą.
Visgi naujieji modeliai suteikia konkrečias gairės ir testinius laukus, kuriems REACH, SKA ir kiti artimiausi radioteleskopai gali ruoštis. Jei ateities stebėjimai sutaps su prognozuotais šablonais, mokslininkai gaus vieną iš retų tiesioginių įrodymų apie pirmųjų žvaigždžių savybes — reikšmingą laimėjimą mūsų siekyje suprasti, kaip šiandieninė sudėtinga visata išsivystė iš beveik bebruožės ankstyvosios fazės.
Galiausiai, tokios tyrimų kryptys ne tik atskleis pirmųjų žvaigždžių mases ir energijos balansą, bet ir praplės mūsų žinias apie ankstyvųjų supermasyvinių juodųjų skylių sėklas, tarpgalaktinės terpės termodinamiką ir gręžinius, kurie vėliau nulems galaktikų evoliuciją. Derinant radijo astronomiją su infraraudonųjų, optinių ir X spindulių stebėjimais, tyrėjai juda link holistinio, daugiasluoksnio pirmųjų milijardų metų visatos pasakojimo.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą