Naukowcy wykorzystują symulacje i dane z Teleskopu Bieguna Południowego do wykrycia słabego efektu kSZ, który jest kluczem do zrozumienia epoki rejonizacji, kiedy pierwsze gwiazdy zjonizowały Wszechświat.
Wyobraź sobie, że wybierasz się w podróż do początków wszechświata, a konkretnie do początków epoki rejonizacji (EoR). To właśnie wtedy powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki, a ich energia oddzieliła protony i elektrony z gęstego, ciemnego pierwotnego gazu wodorowego, który składał się na Wszechświat, tworząc bąbelki zjonizowanego gazu.
Twoja kosmiczna podróż odsłoni wiele takich bąbelków w ciemności, które będą rosły i łączyły się, jonizując cały wodór we wszechświecie, rozświetlając ciemność i przygotowując grunt pod ewolucję galaktyk, jakie znamy dzisiaj.
Niestety naukowcy nie są w stanie stworzyć wehikułów czasu, które przeniosą nas z powrotem do EoR. Mogą jednak gromadzić terabajty danych i tworzyć symulacje, aby uzyskać wgląd w wczesny Wszechświat i proces kluczowy do zrozumienia powstawania i ewolucji galaktyk.
„Te pierwsze gwiazdy mają dużo energii i kiedy ich ultrafioletowe protony oddziałują z obojętnymi atomami wodoru, wyrzucają elektron z gwiazdy atomi w zasadzie w ten sposób Wszechświat został zjonizowany” – powiedział dr Srinivasan Raghunathan, stażysta podoktorski w Center for AstroPhysical Surveys (CAPS) w National Center for Supercomputing Applications (NCSA) na Uniwersytecie Illinois w Urbana -Szampana.
Te wolne elektrony poruszające się we wczesnym Wszechświecie oddziałują z kosmicznym mikrofalowym tłem (CMB) – pozostałością promieniowania Wielki Wybuch – zwiększając energię i jasność CMB, wyjaśnił Raghunathan. Ten wzrost energii powoduje tak zwany efekt kinetyczny Sunyaeva-Zel’dovichna (kSZ), słaby sygnał z wczesnego Wszechświata, który pozwala kosmologom zajrzeć w przeszłość i zrozumieć procesy zachodzące w EoR oraz moment jego rozpoczęcia i jak długo to trwało.
Wykrywanie efektu kSZ
Raghunathan kierował wieloinstytucjonalnym zespołem badawczym, którego celem było wykrycie efektu kSZ na podstawie map temperatur CMB z wykorzystaniem danych uzyskanych z Teleskopu Bieguna Południowego i instrumentu SPIRE na pokładzie Obserwatorium Kosmicznego Herschel. Wyniki ich pracy opublikowano niedawno w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznegogłówne czasopismo poświęcone badaniom fizycznym i kosmologicznym. Badania są jednym z trwających wysiłków badawczych realizowanych w ramach współpracy Teleskopu Bieguna Południowego, w którą zaangażowanych jest około 100 badaczy z ponad 20 organizacji na całym świecie.
„Poszukiwanie tego sygnału ma kluczowe znaczenie, ponieważ pozwala zrozumieć, jak doszło do tego całego procesu” – powiedział Raghunathan. „Ale sygnał jest wyjątkowo słaby. Ponieważ jest to wczesny Wszechświat, jest ukryty pod wieloma innymi elementami danych, w tym samym kosmicznym mikrofalowym tłem.”
Zespół zebrał dane z Teleskopu Bieguna Południowego – zmierzone w częstotliwościach 90, 150 i 220 GHz w paśmie submilimetrowym – i wykonał czteropunktową funkcję, czyli trispektrum, która mierzy korelacje między czterema punktami w systemie, aby zobaczyć dla niegaussowskiego, czyli niejednolitego charakteru efektu kSZ. Oczekuje się, że efekt ten spowoduje niewielki wzrost energii (mierzonej temperaturą) CMB, gdy galaktyki zaczną się formować i rejonizacja nastąpi w całym wszechświecie.
„Wiemy, że istnieje wiele galaktyk w plamach lub bąbelkach i że powinna istnieć jakaś korelacja pomiędzy tymi plamami” – wyjaśnił Raghunathan. „Na podstawie tych korelacji próbujemy odgadnąć, jak powstałby nasz wszechświat”.
Symulacja wczesnego wszechświata
Aby pomóc w poszukiwaniu sygnału kSZ, badacze opracowali wysokiej rozdzielczości symulacje komputerowe Wszechświata i wykorzystując je jako szablon, pracowali nad odfiltrowaniem obcych sygnałów i efektów soczewkowania grawitacyjnego (krzywej na drodze światła podczas podróżuje wokół galaktyk i innej materii we wszechświecie) z CMB. Przeprowadzili setki takich symulacji, które naśladują ich dane, korzystając z klastra kampusowego Illinois w NCSA.
„Mamy kilka terabajtów danych i chcemy zweryfikować to, co mierzymy. Dlatego budujemy symulacje wczesnego Wszechświata. Mnóstwo symulacji” – mówi Srinivasan Raghunathan, doktorant w NCSA Center for AstroPhysical Surveys.
Symulacje mają na celu „zobaczenie”, jak te wczesne sygnały we wszechświecie oddziałują ze sobą i jak przedostają się do trzech mierzonych częstotliwości, wyjaśnił Raghunathon.
„Nie patrzymy na konkretną galaktykę i nie twierdzimy, że to nasz pomiar” – powiedział. „Chcemy tutaj stworzyć statystyczny model epoki rejonizacji. Wiemy, że istnieje wiele galaktyk lub wiele, wiele plam, uchwyconych w strumieniu masowym, dlatego powinna istnieć jakaś korelacja pomiędzy tymi obszarami, które dają sygnał kSZ. Na podstawie tych korelacji próbujemy teraz odgadnąć, jak doszłoby do rejonizacji naszego Wszechświata.”
Postęp w zrozumieniu rejonizacji
Chociaż efekt kSZ z EoR powinien dać niewielkie wzmocnienie, czyli poświatę, CMB, zespół badawczy nie wykrył jeszcze tego sygnału w swoich danych, co jest mimo wszystko znaczącym krokiem naprzód w badaniu wczesnego Wszechświata i zrozumieniu Według Raghunathana, EoR.
„Fakt, że nie wykryliśmy sygnału, mówi nam, że sygnał nie może przekraczać określonej amplitudy” – powiedział. „Sygnał musi być poniżej tych konkretnych oczekiwań i właśnie na tej podstawie możemy wykluczyć wiele modeli rejonizacji, takich jak modele wczesne i powolne, w których prognozują sygnał kSZ, który może być ogromny”.
Ustalenie górnej granicy prawdopodobnego zakończenia EoR daje naukowcom parametr, na którym mogą pracować, kontynuując badania wczesnego Wszechświata i EoR. W miarę udostępniania nowych, niskoszumowych zbiorów danych o wysokiej rozdzielczości, obejmujących większe rozpiętości Wszechświata, a naukowcy przeprowadzą dodatkowe analizy wieloczęstotliwościowe, rozwikłają zagadkę epoki rejonizacji, w tym kiedy ona się rozpoczęła, czy wydarzyła się nagle, czy powoli i kiedy to się skończyło.
„Trwające badanie Teleskopu Bieguna Południowego będzie kontynuowane przez kilka kolejnych lat, co znacznie zmniejsza szum w danych, czyniąc je coraz lepszymi” – powiedział Raghunathan. Naziemny eksperyment kosmicznej mikrofalowej tła nowej generacji o nazwie CMB-S4, który będzie gromadził dane z badań z teleskopów na biegunie południowym i w Chile, zapewni jeszcze więcej dostępnych danych obejmujących szerszy obszar nieba. A to oznacza potrzebę większej liczby technik przetwarzania i analizy danych, aby szukać sygnału kSZ i zacząć rozumieć epokę, kiedy gwiazdy dosłownie rozświetlały niebo. Analiza ta stanowi kluczowy pierwszy krok w stronę takich przyszłych analiz – stwierdził.
„W najbliższej przyszłości mamy nadzieję wykryć ten sygnał. Wiemy, że tam jest i że nastąpiła rejonizacja. Teraz chcemy wiedzieć, dlaczego i jak doszło do całego procesu”.
Odniesienie: „Pierwsze ograniczenia epoki rejonizacji wykorzystujące niegaussowość efektu kinematycznego Sunyaeva-Zeldovicha z teleskopu na biegunie południowym i obserwacji Herschel-SPIRE” do 19 września 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.121004
