Yeniden İyonlaşma Dizisinin Hidrojen Çağı (HERA), erken evrenden 21 santimetrelik emisyonları tespit etmek için yukarı doğru bakan 350 çanaktan oluşur. Güney Afrika’daki kurak Karoo’nun radyo sessiz bir bölgesinde yer almaktadır. Kredi bilgileri: Dara Storer
Güney Afrika’nın Karoo çölünde bulunan bir dizi 350 radyo teleskop, “kozmik şafağı” – sonraki zaman dilimini – tespit etmeye yaklaşıyor. Büyük patlama yıldızlar ilk tutuştuğunda ve galaksiler oluştuğunda. The Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) ekibi, yayınlanmak üzere kabul edilen bir makalede duyurdu. bu Astrofizik Dergisi zaten evren tarihindeki bu eşsiz dönemi keşfetmeye adanmış dünyanın en hassas radyo teleskobu olan dizinin hassasiyetini iki katına çıkardılar.
Henüz kozmik karanlık çağların sonundan gelen radyo emisyonlarını gerçekten tespit etmemiş olsalar da, sonuçları erken evrendeki yıldızların ve galaksilerin bileşimine dair ipuçları sağlıyor. Verileri özellikle, bugünkü galaksilerimizin aksine, erken galaksilerin hidrojen ve helyum dışında çok az element içerdiğini gösteriyor. Radyo antenleri tamamen çevrimiçi ve kalibre edildiğinde, ideal olarak bu sonbaharda, ekip, yaklaşık 200 milyon yıl öncesinden Büyük Patlama’dan yaklaşık 1 milyar yıl sonrasına evrimleşen iyonize ve nötr hidrojen kabarcıklarının 3 boyutlu bir haritasını çıkarmayı umuyor. Harita bize erken yıldızların ve galaksilerin bugün çevremizde gördüklerimizden ne kadar farklı olduğunu ve evrenin bir bütün olarak ergenlik döneminde nasıl göründüğünü söyleyebilir. HERA dizisinin üzerindeki gece gökyüzünde Samanyolu Galaksisi. 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 bilgileri: 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 3 boyutlu bir haritası, önümüzdeki 50 yıl veya daha fazlası için hedeftir.” Diğer teleskoplar da erken evrene bakıyor. Yeni James Webb Uzay Teleskobu (JWST) şimdi, Big Bang’de evrenin doğumundan yaklaşık 325 milyon yıl sonra var olan bir galaksiyi görüntüledi. Ancak JWST, Yıldızları galaksiler arası ortamı ısıtıp hidrojen gazının çoğunu iyonize eden daha küçük ama çok daha fazla sayıda cüce galaksiyi değil, Yeniden İyonlaşma Çağı sırasında oluşan galaksilerin yalnızca en parlaklarını görebilir. HERA, bu ilk yıldızlar ve galaksiler arasındaki boşluğu dolduran nötr hidrojenden gelen radyasyonu tespit etmeye ve özellikle, bu hidrojenin iyonize olduğu için radyo dalgaları yaymayı veya emmeyi ne zaman durdurduğunu belirlemeye çalışır. HERA ekibinin, kozmik karanlık çağın soğuk hidrojeni içindeki bu iyonize hidrojen baloncuklarını henüz tespit edememiş olması, erken evrende yıldızların nasıl evrimleştiğine dair bazı teorileri geçersiz kılıyor.
Spesifik olarak veriler, Büyük Patlama’dan yaklaşık 200 milyon yıl sonra oluşmuş olabilecek en eski yıldızların hidrojen ve helyum dışında birkaç element daha içerdiğini gösteriyor. 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 dair mevcut modelle tutarlı. HERA’nın baş araştırmacısı ve UC Berkeley astronomi doçenti Aaron Parsons, “Bir sinyal görmemiş olmamız için, ilk gökadaların bugün gözlemlediğimiz gökadalardan önemli ölçüde farklı olması gerekir,” dedi. “Özellikle, X-ışını özelliklerinin değişmiş olması gerekir. Aksi takdirde aradığımız sinyali bulurduk.” Erken evrendeki yıldızların atomik bileşimi, yıldızlar oluşmaya başladıktan sonra galaksiler arası ortamı ısıtmanın ne kadar süreceğini belirledi. Bunun anahtarı, birinin çökerek bir yıldıza dönüştüğü ikili yıldızlar tarafından üretilen, başta X-ışınları olmak üzere yüksek enerjili radyasyondur. Kara delik veya nötron yıldızı ve yavaş yavaş arkadaşını yiyor. Birkaç ağır elementle, yoldaşın kütlesinin büyük bir kısmı kara deliğin üzerine düşmek yerine savrulur, bu da daha az X-ışınları ve çevreleyen bölgenin daha az ısınması anlamına gelir. Yeni veriler, yıldızların ve galaksilerin Büyük Patlama’dan sonra nasıl oluştuğuna dair en popüler teorilere uyuyor, ancak diğerlerine uymuyor. Bir yıl önce bildirilen HERA verilerinin ilk analizinden elde edilen ön sonuçlar, bu alternatiflerin – özellikle soğuk yeniden iyonlaştırmanın – olası olmadığını ima etti.
“Sonuçlarımız, yeniden iyonlaşmadan önce ve Büyük Patlama’dan 450 milyon yıl sonra bile, galaksiler arasındaki gazın X-ışınları tarafından ısıtılması gerektiğini gerektiriyor. 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 zaman.” 13.8 milyar yıl önce Büyük Patlama’da evrenin kökeni, sıcak bir enerji kazanı ve protonlar ve elektronlar atomları oluşturmak üzere bir araya gelmeden önce yüzbinlerce yıl boyunca soğuyan temel parçacıklar üretti – başta hidrojen ve helyum. Hassas teleskoplarla gökyüzüne bakan astronomlar, Big Bang’den sadece 380.000 yıl sonra – kozmik mikrodalga arka plan olarak bilinen – bu andan itibaren sıcaklıktaki hafif değişimleri ayrıntılı olarak haritaladılar. Bununla birlikte, bu kalıntı ısı radyasyonunun dışında, 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 etti. Bu baloncukları haritalamak için HERA ve diğer bazı deneyler, nötr hidrojenin emdiği ve yaydığı, ancak iyonize hidrojenin yaymadığı bir ışık dalga boyuna odaklanır. 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 10 kat daha uzun bir dalga boyuna – yaklaşık 2 metre veya 6 fit – genişlemesiyle kırmızıya kaydırıldı. HERA’nın kümes teli, PVC boru ve telefon direklerinden oluşan oldukça basit antenleri, bu radyasyonu toplayıp dedektörlere odaklamak için 14 metre çapındadır. Dillon, “İki metre dalga boyunda, bir kümes teli bir aynadır,” dedi. “Ve tabiri caizse tüm karmaşık şeyler, süper bilgisayar arka ucunda ve ondan sonra gelen tüm veri analizinde.” Yeni analiz, dizinin 1. aşaması olan yaklaşık 40 antenle 2017 ve 2018’de 94 gece gözleme dayanmaktadır. Geçen yılın ön analizi, 18 gecelik faz 1 gözlemlerine dayanıyordu. Yeni makalenin ana sonucu, HERA ekibinin dizinin hassasiyetini Büyük Patlama’dan yaklaşık 650 milyon yıl sonra yayılan ışık için 2,1 kat (kırmızıya kayma veya dalga boyunda 7,9’luk bir artış) ve 2,6 kat artırdığıdır. Büyük Patlama’dan yaklaşık 450 milyon yıl sonra yayılan radyasyon (kırmızıya kayma 10.4).
HERA ekibi, erken evrende, Dünya’nın çevresindeki radyo gürültüsünün yaklaşık 1 milyonda biri kadar olan bu baloncukları görme umuduyla teleskopun kalibrasyonunu ve veri analizini geliştirmeye devam ediyor. Erken evrenden gelen radyasyonu görmek için yerel radyo gürültüsünü filtrelemek kolay olmadı. UC Berkeley Radyo Astronomi Laboratuvarı’nda araştırma astronomu olan David Deboer, “İsviçre peyniriyse, galaksiler delikleri açar ve biz peyniri arıyoruz,” dedi. Bununla birlikte, bu benzetmeyi genişleten Dillon, “Yaptığımız şey, peynirin hiçbir şey olmaması durumundakinden daha sıcak olması gerektiğini söyledik. Peynir gerçekten soğuk olsaydı, o düzensizliği gözlemlemek peynirin ılık olmasına göre daha kolay olurdu.” Bu çoğunlukla, daha soğuk bir başlangıç noktası öneren soğuk yeniden iyonlaşma teorisini dışlar. Bunun yerine HERA araştırmacıları, X-ışını ikili yıldızlarından gelen X-ışınlarının önce galaksiler arası ortamı ısıttığından şüpheleniyorlar.
Dillon, “X-ışınları, delikler oluşmadan önce tüm peynir bloğunu etkili bir şekilde ısıtacaktır” dedi. “Ve bu delikler iyonize parçalar.” Parsons, “HERA gelişmeye ve daha iyi sınırlar koymaya devam ediyor” dedi. “İlerlemeye devam edebilmemiz ve teleskopumuz için meyve vermeye devam eden yeni tekniklerimizin olması harika.” Referans: “HERA Faz I Gözlemleri ile IGM’nin X-Ray Isıtması ve 21 cm EoR Güç Spektrumunda İyileştirilmiş Kısıtlamalar”, HERA İşbirliği: 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, Jack Hickish, Daniel C. Jacobs, Austin Julius, Nicholas S. Kern , Joshua Kerrigan, Piyanat Kittiwisit, Saul A. Kohn, Matthew Kolopanis, Adam Lanman, P aul La Plante, David Lewis, Adrian Liu, Anita Loots, Yin-Zhe Ma, David HE 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 KG Williams , Pieter van Wyngaarden ve Haoxuan Zheng, 19 Ocak 2023, Astrofizik Dergisi. 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.
HERA’dan gelen en son veriler, kozmik şafak radyasyonu araştırmasını geliştirir ve galaksi oluşumu teorilerini test eder.
Yeniden İyonlaşma Çağı
DOI: 10.48550/arXiv.2210.04912