Brug af hastighedsinducerede akustiske oscillationer som en standard lineal ved kosmisk daggry

Vores nuværende forståelse af fysik antyder, at der er to hovedtyper af stof i universet kendt som mørkt og baryonisk stof. Mørkt stof består af materiale, som videnskabsmænd ikke direkte kan observere, da den ikke udsender lys eller energi. På den anden side, baryonisk stof består af normalt atomstof, inklusive protoner, neutroner og elektroner.

I modsætning til mørkt stof, baryonisk stof kan interagere med fotoner, giver anledning til det, der er kendt som baryon akustiske svingninger (BAO'er), som i det væsentlige er fluktuationer i tæthed forårsaget af akustiske bølger. Mens de producerede BAO'er, de samme interaktioner genererer også supersoniske relative hastigheder mellem mørkt stof og baryoner.

Disse genererede hastigheder er kendt for at hindre dannelsen af ​​de første stjerner ved kosmisk daggry, æraen efter Big Bang, hvor de første stjerner og galakser brød ind, modulering af det forventede signal fra denne specifikke æra. I en fascinerende todelt undersøgelse, en forsker ved Harvard University har for nylig vist, at denne signalmodulation tager form af robuste hastighedsinducerede akustiske oscillationer (VAO'er), som igen kunne give værdifuld indsigt om den kosmiske daggry-æra.

"Ideen om, at mørkt stof og baryoner har en stor relativ hastighed, har eksisteret siden 2010, " Julian B. Muñoz, den forsker, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Faktisk, samme år, andre forskere indså, at denne relative hastighed ville have en stor indflydelse på dannelsen af ​​de første stjerner. Selvom vi ikke direkte kan se disse stjerner, da de er meget langt væk og dunkle, de kan detekteres indirekte ved hjælp af 21 cm-linjen af ​​brint."

Da Muñoz begyndte at arbejde på sit projekt, han ønskede oprindeligt at implementere virkningerne af relativ hastighed ved hjælp af en offentlig simuleringskode kendt som 21cmFAST, som er standardværktøjet, der bruges af kosmologer til at forstå det kosmiske 21 cm-signal. Han præsenterede derefter resultaterne af disse simuleringer i et papir offentliggjort i Fysisk gennemgang D .

"Mens jeg udførte mine simuleringer, Jeg indså, at tilføjelse af hastighederne producerer robuste hastighedsinducerede akustiske oscillationer (VAO'er) i 21 cm-signalet, som har samme oprindelse som de baryon akustiske oscillationer (BAO'er), som vi er vant til, men produceres af relative hastigheder, og ikke over/underdensiteter, " sagde Muñoz. "Disse VAO'er præger den baryon akustiske skala på 150 Mpc på 21-cm kortene, som derefter kan bruges som en standard lineal."

I et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , Muñoz introducerede derefter ideen om, at de VAO'er, der i sidste ende opstår fra koblingen af ​​baryonisk stof og fotoner, resulterer i, at 21-cm-signalet (typisk brugt til at detektere stjerner) rumligt oscillerende, med en kendt periode på 150 Mpc (ca. 450 millioner lysår). Han foreslår derefter, at da formen og karakteristikaene af disse svingninger er kendt, de kan bruges som en standardlineal til at måle universets størrelse under kosmisk daggry (dvs. en kvart milliard år efter Big Bang).

Ideen introduceret af Muñoz er mildt sagt fascinerende, da astrofysikere i øjeblikket ikke har nogen anden måde at få adgang til denne specifikke kosmiske æra. Med andre ord, denne måling eller 'standard lineal' ville være den første af sin slags, åbner op for nye spændende muligheder for undersøgelser relateret til 21-cm-signalet, såsom hydrogen-epoken for reionisation array (HERA) projekt.

HERA-projektet er et samarbejde mellem astrofysikere og forskere ved U.S.A. Sydafrikanske og britiske institutioner sigter mod at bygge et teleskop, der robust kan detektere epoken med reionisering (EOR) rødforskudt brintkraftspektrumsignatur. Et yderligere mål med dette projekt vil være indsamling af data, der kan udvide den nuværende forståelse af den kosmiske daggry-æra.

"Et af målene med mit projekt var at inkludere de relative hastigheder på den offentlige 21-cm kode 21cmFAST, da de ændrer alle forudsigelser under kosmisk daggry, " sagde Muñoz. "Dette er nødvendigt for at forstå det 21 cm-signal, der forhåbentlig vil blive opdaget i de næste par år, for eksempel, af HERA-samarbejdet."

Som Muñoz fortsætter med at forklare, moduleringen induceret af VAO'erne er et interessant fænomen i sig selv, efterhånden som baryonernes akustiske fysik bliver indprentet i fordelingen af ​​de første stjerner og dermed på 21 cm kort. Netop fordi baryonernes akustiske fysik er kendt, disse hastigheder kunne give en robust standardlineal under kosmisk daggry.

"At måle universets størrelse under kosmisk daggry ville være spændende, da denne æra er halvvejs mellem den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) og lokaluniverset, som er uenige om målinger af universets størrelse (den berømte H0-spænding mellem supernovaer og CMB-data), " sagde Muñoz.

HERA-samarbejdet vil snart begynde at indsamle data relateret til det 21-cm strømsignal, der udsendes ved kosmisk daggry. Når disse data bliver tilgængelige, det kunne bruges til at måle udvidelseshastigheden af ​​universet under kosmisk daggry, en epoke, der indtil videre er forblevet et mysterium på grund af mangel på værktøjer til at undersøge det. Når dette sker, ideerne introduceret af Muñoz kunne vise sig at være ekstremt værdifulde, da de fremhæver den mulige brug af VAO'er som en standardlineal i denne tidligere uprøvede epoke.

Selvom teorien introduceret i dette projekt kan være af stor værdi, nogle aspekter af VAO'er er stadig dårligt forstået. I sit fremtidige arbejde, Muñoz planlægger at fortsætte med at undersøge VAO'er, for eksempel at forsøge bedre at forstå, hvordan de modulerer feedback på den første stjernedannelse, hvilket i øjeblikket er uklart.

"Jeg har også til hensigt at forfine prognoserne, herunder mere komplekse forgrunds- og støjmodeller, som efterligner HERA-instrumentet, da HERA med stor sandsynlighed vil observere disse VAO'er i det næste årti, " sagde Muñoz.

© 2019 Science X Network