Kanadyjski radioteleskop CHIME po raz pierwszy wykrył słaby kosmologiczny sygnał wodoru, korzystając wyłącznie z własnych danych. To ważny krok ku nowej metodzie badania historii ekspansji Wszechświata i natury ciemnej energii.
Sygnał z młodego Wszechświata
Zespół pracujący z radioteleskopem CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) wykrył słabą emisję radiową neutralnego wodoru z epoki, gdy Wszechświat miał około 5 miliardów lat. Obserwowany sygnał dotarł do Ziemi po mniej więcej 8–9 miliardach lat podróży, dlatego pozwala zajrzeć daleko w kosmiczną przeszłość.
To pierwszy przypadek, w którym CHIME samodzielnie, bez wspomagania zewnętrznymi katalogami galaktyk, zmierzył kosmologiczny sygnał linii wodoru o długości fali 21 cm. Wynik oparto na danych z 94 nocy obserwacyjnych przeprowadzonych w 2019 roku, a jego istotność statystyczna wyniosła 12,5 sigma.
Wodór jako mapa struktury kosmosu
Neutralny wodór emituje charakterystyczne fale radiowe o długości 21 cm. W miarę rozszerzania się Wszechświata fale te ulegają rozciągnięciu, czyli przesunięciu ku niższym częstotliwościom. Dzięki temu ich obserwowana częstotliwość informuje astronomów, z jak odległej epoki pochodzi sygnał.
CHIME nie obserwuje pojedynczych galaktyk jedna po drugiej. Zamiast tego mierzy łączną emisję wodoru z wielkich obszarów nieba – metodą znaną jako mapowanie intensywności. Pozwala ona badać, jak materia układa się w wielkoskalową kosmiczną sieć: zagęszczenia, włókna i rozległe pustki między nimi.
W analizowanym okresie około 2 procent wodoru znajdowało się w neutralnej postaci atomowej. Naukowcy zbadali również, jak wodór grupuje się w przestrzeni; uzyskany obraz jest zgodny z rezultatami innych metod śledzenia wielkoskalowej struktury materii we Wszechświecie.
Nietypowy teleskop w Kanadzie
CHIME działa w Dominion Radio Astrophysical Observatory w pobliżu Penticton w Kolumbii Brytyjskiej. Jego anteny mają postać czterech długich, nieruchomych cylindrycznych reflektorów, a teleskop skanuje niebo dzięki dobowemu obrotowi Ziemi.
Instrument pracuje w zakresie częstotliwości od 400 do 800 MHz. Został zaprojektowany do śledzenia przesuniętej ku niższym częstotliwościom emisji 21 cm neutralnego wodoru z epoki odpowiadającej przesunięciom ku czerwieni od około 0,8 do 2,5.
Największym wyzwaniem jest oddzielenie bardzo słabego sygnału kosmologicznego od znacznie silniejszych radiowych emisji Drogi Mlecznej, innych galaktyk oraz zakłóceń wytwarzanych przez człowieka. Zespół zastosował ulepszone procedury oczyszczania danych, między innymi rozpoznawanie zakłóceń radiowych i filtrowanie emisji pierwszoplanowej.
Droga do badań ciemnej energii
Pomiar rozkładu wodoru w różnych epokach dostarcza informacji o tym, jak rosły kosmiczne struktury i jak zmieniało się tempo ekspansji Wszechświata. To właśnie te dane są potrzebne do badania ciemnej energii – nieznanego składnika kosmosu, który wiąże się z obserwowanym przyspieszaniem jego ekspansji.
Nowy wynik nie jest jeszcze bezpośrednim pomiarem właściwości ciemnej energii. Pokazuje jednak, że CHIME może samodzielnie wykonywać pomiary niezbędne w przyszłych analizach kosmologicznych, bez uzależnienia od danych z optycznych przeglądów galaktyk.
W kolejnych latach naukowcy chcą zwiększać precyzję takich map i porównywać je z rezultatami innych obserwacji. Połączenie radiowych danych o wodorze z pomiarami galaktyk, soczewkowania grawitacyjnego i mikrofalowego promieniowania tła może pomóc sprawdzić, czy standardowy model kosmologiczny poprawnie opisuje historię Wszechświata.
Źródła
Główne źródło naukowe:
- CHIME Collaboration, Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Auto-correlation at z ~ 1 with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment,
Źródła kontekstowe:
- University of British Columbia, Canadian telescope directly maps earliest glow of hydrogen,
- phys.org, Hydrogen’s distant glow opens new way to investigate dark energy,
- Strona projektu CHIME dotycząca mapowania intensywności linii 21 cm neutralnego wodoru
Opracowanie: Agnieszka Nowak
