3860
14
Астрономы пытаются обнаружить свет в самых первых звездах во Вселенной
Команда ученых, работающих с радиотелескопом Murchison Widefield Array (WMA), пытается найти сигнал от первых звезд Вселенной. Эти первые звезды образовались после «темных веков» Вселенной. Чтобы найти свою первую зацепку, исследователи ищут сигнал нейтрального водорода, газа, который доминировал во Вселенной после «темных веков».
Потребовалось время, чтобы сформировались первые звезды. После Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей; слишком жарко для образования атомов. Без атомов не может быть звезд. Только после 377 000 лет после Большого взрыва Вселенная расширилась и охладилась настолько, что атомы могли образовать, в основном, нейтральный водород с небольшим количеством гелия (и следы лития). После этого самые ранние звезды начали формироваться, в эпоху реионизации.
Чтобы найти неуловимый сигнал от этого нейтрального водорода, MWA был перенастроен в отдаленной части Западной Австралии, и она имела 2048 радиоантенн расположены в 128 «плитах». Он начал свою работу в 2013 году для охоты за неуловимыми нейтральными сигналами водорода, количество плиток было удвоено до 256, а весь массив был переставлен. Все данные с этих приемников поступают в суперкомпьютер, который называется Correlator.
В новой статье, которая будет опубликована в Astrophysical Journal, представлены результаты первого анализа данных из вновь сконфигурированного массива. Статья называется «Результаты энергетического спектра EoR фазы II первого сезона MWA на Redshift 7». Ведущий исследователь - Веньян Ли, аспирант Университета Брауна.
Это исследование было направлено на понимание силы сигнала от нейтрального водорода. Анализ установил самый низкий предел для этого сигнала, что является ключевым результатом поиска самого слабого сигнала.
«Мы можем с уверенностью сказать, что если бы сигнал нейтрального водорода был сильнее, чем он есть, то телескоп его бы обнаружил», - сказал Джонатан Побер, доцент кафедры физики в Университете Брауна и соответствующий автор статьи. "Эти результаты могут помочь нам еще больше сэкономить время изучения «космических темных веков»".
У нас имеются значительные пробелы. Мы знаем, что после «темных веков» началась эпоха реионизации. Именно тогда образование атомов привело к появлению первых структур во Вселенной, таких как звезды, карликовые галактики и квазары. Когда эти объекты сформировались, их свет распространился по Вселенной, повторно ионизуя нейтральный водород. После этого нейтральный водород исчез из межзвездного пространства.
Ученые хотят знать, как изменился нейтральный водород, когда темные века сменились эпохой реионизации, и эпоха реионизации развернулась. Первые звезды, которые сформировались во Вселенной, были строительными блоками структур, которые мы видим сегодня, и чтобы понять их, ученым нужно найти сигнал от этого раннего нейтрального водорода.
Но это нелегко. Сигнал слабый, и для его обнаружения требуются чрезвычайно чувствительные детекторы. Хотя нейтральный водород первоначально излучал свое излучение на длине волны 21 см, сигнал был растянут из-за расширения Вселенной. Сейчас около 2 метров. Этот 2-метровый сигнал теперь легко теряется среди множества подобных сигналов, как естественных, так и техногенных. Вот почему MWA находится в отдаленной части Австралии, чтобы изолировать его от как можно большего количества радиопомех.
«Все эти другие источники на много порядков сильнее сигнала, который мы пытаемся обнаружить», - сказал Побер. «Даже радиосигнала FM, который отражается от самолета, может создать значительные помехи, чтобы помешать работе телескопа».
Вот тут-то и вступает в работу вычислительная мощность суперкомпьютера Correlator. Он обладает способностью отбрасывать загрязняющие сигналы, а также учитывать природу самого MWA.
«Если мы посмотрим на разные радиочастоты или длины их волн, телескоп ведет себя немного по-другому», - сказал Побер. «Корректировка отклика телескопа абсолютно необходима для разделения астрофизических загрязнений и представляющего интерес сигнала».
В статье представлен новый верхний предел для сигнала от нейтрального водорода. Это второй раз, когда ученые, работающие с MWA, выпустили новый, более точно настроенный лимит. С дальнейшим прогрессом ученые надеются найти сам неуловимый сигнал.
«Этот анализ демонстрирует, что модернизация второй фазы имела много желаемых эффектов и что новые методы анализа улучшат будущие анализы», - сказал Побер. «Тот факт, что MWA в настоящее время публикует два наилучших ограничения для сигнала, дает импульс к идее, что этот эксперимент и его подход имеют многообещающие результаты».
(Добавил: Nikola)
к последнему комментарию
из статьи - «водород первоначально излучал свое излучение на длине волны 21 см, сигнал был растянут из-за расширения Вселенной. Сейчас около 2 метров».
.
Leonid, я не понял. Мы с Вами недавно считали, что длина волны реликтового микроволнового излучения за счет расширения Вселенной увеличилась в 1000 раз с ≈1 мкм до ≈1 мм. А почему излучение нейтрального водорода только в 10 раз?
Т.е. они собираются получить нужный результат исключительно программным методом, а не за счёт улучшения чуствительности детекторов?
Шесть лет работы и отчёт о нулевом результате. По-видимому, им сейчас грустно и печально.
paragonn22, ну почему результат "нулевой"? Уточнили порог чуствительнсти - уже не нулевой результат. Хотя от того, что не смогли достичь поставленной цели, можно и взгрустнуть.
Если полезный сигнал слабее шума, то ликвидация шума позволит его выявить.
Вот это и будет ненулевой результат.
И чем дольше работает радиотелескоп, тем больше полезных сигналов ляжет в статистический анализ. Тогда сумма ненулевых результатов выдаст качественный результат. Т. е. даст аргументы и факты для улучшения фундаментальных теорий.
Но на это требуется время.
"..А почему излучение нейтрального водорода только в 10 раз.."
А всё из-за Хаббла с его постоянной!
Исследуемая область находится на 230 млн световых лет к нам ближе, чем источник фонового излучения и имеет скорость не 0,99999835 световой и Z=1100, а всего-то 0,984 с Z=10.
Может рядом поставить приёмник для ловли сигналов шума?То есть он будет работать на своих частотах.
dengess1, вы простыми словами пояснили принцип выявления наличия сигнала в шуме, который многократно превышает уровень сигнала! ++
Leonid (6), спасибо.
Никак не научусь быстро в уме считать космологические величины. Получается:
(1) РИ: 380 млн лет от БВ.
(2) Излучение нейтрального водорода: 380+230=610 млн лет от БВ.
Мы наблюдаем и то, и другое с дистанции 13,8 млрд лет от БВ. Разница в Доплере (1) и (2) в 100 раз. Поразительно, чуть-чуть объехал от БВ по времени, и такая колоссальная разница в Доплере.
Leonid, а можно вопрос в догонку – почему Вы взяли для нейтрального водорода добавку по времени 230 млн лет? Ведь эпоха реионизации нейтрального водорода длилась порядка 500-800 млн лет. Да и сейчас его хватает (в 1945 году предсказали, в 1948 году рассчитали, в 1951 году обнаружили). Честно говоря, я ещё не понимаю, почему его больше в межзвездном внутригалактическом пространстве (где излучение мощнее), чем в межгалактическом (филаментах, излучение слабее, а он там весь ионизирован)?
viktorchibis, длина излучаемой волны λ0, длина волны с эффектом Доплера λ1, скорость объекта/скорость света:
V/C=(λ1^2 - λ0^2)/(λ1^2 + λ0^2) = (2,1^2 - 0.21^2)/(2,1^2 + 0.21^2) =~ 0.9802; V = 293855974 м/сек
Расстояние R до объекта при H=70 км/сек/Мпс
R = 293855974 / 70000 = 4198 Мпс = 13 720 000 000 световых лет
Вычисленная скорость материи излучившей реликтовый фон (λ0 = 9,660E-07, λ1 = 1,063E-03) равна 299791963,3 м/сек
R = 299791963 / 70000 = 4283 Мпс = 13 998 000 000 световых лет
Разница ~280 млн лет.
Предыдущее значение действительно считал в "уме", сейчас на калькуляторе, чтобы не ошибиться много !
Реликтовое излучение всего-то 380 ТЫСЯЧ лет от начала (никак не миллионов)!
Насчет 380 млн – я промазал, не те кнопки давил.
А вот Ваш расчет меня не удовлетворил. В ком 1 я спрашивал про разницу Доплеров фотонов РИ и 1Н, усомнившись – откуда взялись 2метра. В ком 6 Вы очень убедительно ответили, что из-за их разницы (230 млн) времени (или расстояния) их образования от БВ, что привело к разности скоростей излучателей по Хабблу и как следствие различий в Доплере.
В ком 10 я дополнительно поинтересовался, почему Вы взяли именно 230 млн (разница 1Н от РИ), если реионизация шла в течение довольно длительного периода (от момента 380 тыс лет до, по разным оценкам, 500-800 млн лет от БВ). Да и в наше время (на более близких расстояниях, даже в нашей галактике) нейтрального водорода предостаточно. В ответ Вы приводите строгий расчет, уточняя цифру 230 до 280 млн, но при этом в расчете Вы отталкиваетесь всё от тех же 2-х метров. А именно по этой цифре у меня и был вопрос. Я допускаю, что в этот момент, допустим, был максимум излучения 1Н, но тогда хотелось бы услышать какое-то обоснование этого. Иначе для излучения 1Н надо брать Доплера от 1100 (как для РИ) до ~0 (наше время, наша галактика) и искать длины волн от 21 см до 231 метра. Так почему они ищут 2 метра?
viktorchibis, чем дальше по расстоянию, тем глубже во времени, исследователей интересует вопрос "тёмных веков", когда звёзды только начали зажигаться, а этот момент как раз соответствует сотне -- другой мпн лет от большого взрыва и как раз Z = ~11, и десятикратному увеличению длины волны.
Спасибо, согласен – «темные века» ничего кроме «темного» пока сказать не могут.
Читайте AstroNews в Яндекс.Дзен