MeerKAT wprost zmierzył rozkład wodoru kosmicznej sieci

Zespół projektu MeerKLASS zmierzył bezpośrednio, jak w dużych skalach grupuje się neutralny wodór w odległym Wszechświecie, i nie potrzebował do tego katalogów galaktyk. Dane pochodzą z południowoafrykańskiego radioteleskopu MeerKAT. Wynik jest ważnym sprawdzianem metody, na której mają się opierać przyszłe przeglądy z użyciem Square Kilometre Array (SKA).

*Wizualizacja rozkładu materii w kosmicznej sieci. Jaśniejsze obszary odpowiadają większemu zagęszczeniu, ciemniejsze mniejszemu. Źródło: MeerKLASS*

Wodór bez wyławiania galaktyk

Wodór neutralny emituje słabe promieniowanie radiowe na fali 21 cm. W odległych galaktykach jest ono zbyt słabe, by wykrywać je pojedynczo. Dlatego powstała technika mapowania natężenia emisji (ang. intensity mapping). Zamiast wyławiać pojedyncze obiekty, sumuje się promieniowanie z dużych obszarów nieba i szuka wzorca jaśniejszych i ciemniejszych miejsc. Ten wzorzec odtwarza rozkład materii w kosmicznej sieci, czyli w nitkach i węzłach, w których układają się galaktyki.

MeerKAT to 64 anteny o średnicy 13,5 metra. Zwykle pracują jako interferometr, czyli zestaw teleskopów łączonych w jeden. W przeglądzie MeerKLASS każda antena obserwuje jednak osobno. Dzięki temu teleskop widzi bardzo duże skale kątowe, a takie są potrzebne w kosmologii.

Szept na koncercie rockowym

Trudność polega na tym, że sygnał kosmologiczny jest bardzo słaby. Promieniowanie radiowe z bliższych źródeł, m.in. z naszej Galaktyki, bywa około 10 000 razy silniejsze. Autorzy porównują to do wychwycenia szeptu na głośnym koncercie. Pomiar wymagał też nowego trybu obserwacji. Anteny przesuwają się tam i z powrotem w azymucie, zachowując stałą wysokość nad horyzontem. Taki schemat ogranicza zakłócenia od atmosfery i gruntu.

Obserwacje trwały od września do grudnia 2021 roku i objęły obszar około 236 stopni kwadratowych nieba. Zebrano 41 serii po około 1,5 godziny, z czego część została w całości odrzucona z powodu zakłóceń radiowych. Analizowano pasmo od 971 do 1023 MHz. Odpowiada ono przesunięciu ku czerwieni z ≈ 0,42, czyli wydłużeniu fal przez rozszerzanie się Wszechświata. Sygnał pochodzi więc sprzed ponad 4 miliardów lat.

Zespół podzielił dane na cztery możliwie niezależne podzbiory i porównywał je ze sobą. Szum i błędy aparaturowe, które nie powtarzają się w różnych podzbiorach, nie dają wkładu do widma krzyżowego. Zostaje sygnał wspólny dla wszystkich podzbiorów, czyli rzeczywista struktura Wszechświata.

Co dokładnie zmierzono

Wynik to widmo mocy sygnału z neutralnego wodoru, czyli miara tego, jak silnie zmienia się jasność mapy w zależności od skali przestrzennej. Stosunek sygnału do szumu wynosi 6,2. Zespół wyznaczył też iloczyn dwóch wielkości: ilości neutralnego wodoru we Wszechświecie i współczynnika wyróżnienia (ang. bias). Współczynnik ten mówi, na ile wodór grupuje się silniej lub słabiej niż materia ogółem. Wartość iloczynu to około 1,3·10⁻³, ale z dużą niepewnością. Zgadza się z wcześniejszymi wynikami MeerKLASS.

Tamte wcześniejsze detekcje opierały się jednak na korelacji z zewnętrznymi katalogami galaktyk, takimi jak WiggleZ czy GAMA. Tym razem sygnał uzyskano wyłącznie z map radiowych. Bezpośrednie detekcje sygnału 21 cm w innych eksperymentach dotyczyły albo znacznie mniejszych skal, albo innych przeglądów.

Sam zespół zaznacza ograniczenia. Widma pojedynczych podzbiorów wykazują nadmiar mocy, który autorzy wiążą z nierozpoznanymi jeszcze błędami systematycznymi. Dlatego do końcowego wyniku użyto tylko widm krzyżowych, które przeszły serię testów kontrolnych.

Dlaczego to ważne i co dalej

Mário G. Santos z Uniwersytetu Zachodniego Przylądka, główny badacz projektu MeerKLASS, nazwał wynik kamieniem milowym na drodze do uznania mapowania natężenia linii 21 cm za nowe narzędzie kosmologii. Pomiar zajął zespołowi około dekady pracy. Metoda pozwala w przyszłości mapować rozkład materii w ogromnych objętościach Wszechświata, bez rozpoznawania pojedynczych galaktyk. MeerKAT jest prekursorem SKA Observatory, które ma stosować tę technikę na znacznie większą skalę.

Na razie niepewności pomiaru są duże, a wynik jest przede wszystkim demonstracją, że metoda działa. Nie rozstrzyga jeszcze pytań o ciemną energię czy ciemną materię. Kolejne kroki to głębsze mapy i większe obszary nieba oraz lepsze zrozumienie źródeł nadmiaru mocy w pojedynczych podzbiorach.

Źródła

GŁÓWNE: