Радиопроводник темных веков
Dark Ages Radio Explorer ( DARE ) — это предлагаемая миссия НАСА, направленная на обнаружение смещенных в красную сторону линий излучения самых ранних нейтральных атомов водорода , образовавшихся после Космического Рассвета . Излучение этих нейтральных атомов водорода, характеризующееся длиной волны покоя 21 см и частотой 1420 МГц, дает представление об образовании Вселенной первых звезд и эпохе, последовавшей за космическими Темными веками . [1] Предполагаемый орбитальный аппарат призван исследовать состояние Вселенной примерно через 80–420 миллионов лет после Большого взрыва путем регистрации линейных излучений на их частотах с красным смещением, возникших в этот период. Ожидается, что данные, собранные этой миссией, прольют свет на генезис первых звезд, быстрый рост первичных черных дыр, [2] и процесс реионизации Вселенной. Более того, это облегчит тестирование вычислительных формирования галактик моделей . [3] [4] [5] [6] [7] Кроме того, миссия может способствовать развитию исследований распада темной материи и способствовать развитию на поверхности Луны телескопов , способствуя исследованию экзопланет вокруг ближайших звезд. [8]
Фон
[ редактировать ]Эпоха между рекомбинацией и появлением звезд и галактик называется «космическими темными веками ». Вселенной преобладал нейтральный водород В эту эпоху в составе вещества . Хотя этот водород еще не наблюдался напрямую, текущие эксперименты направлены на обнаружение характерной линии водорода этого периода. Линия водорода возникает, когда электрон в нейтральном атоме водорода переходит между сверхтонкими состояниями либо путем возбуждения в состояние с выровненными спинами , либо путем снятия возбуждения, когда спины перемещаются от выравнивания к антивыравниванию. Разность энергий между этими сверхтонкими состояниями, электрон-вольт , соответствует фотону с длиной волны 21 сантиметр. Когда нейтральный водород достигает термодинамического равновесия с фотонами космического микроволнового фона (CMB), происходит «связь», делающая линию водорода необнаружимой. Наблюдение линии водорода возможно только при наличии разницы температур между нейтральным водородом и реликтовым излучением.
Теоретическая мотивация
[ редактировать ]Сразу после Большого взрыва Вселенная характеризовалась сильным нагревом, плотностью и почти однородностью . Его последующее расширение и охлаждение создали благоприятные условия для образования ядер и атомов . Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва , при красном смещении около 1100, охлаждение первичной плазмы позволило протонам и электронам сливаться в нейтральные атомы водорода, сделав Вселенную прозрачной, поскольку фотоны перестали существенно взаимодействовать с материей . Эти древние фотоны в настоящее время можно обнаружить как космический микроволновый фон (CMB). Реликтовое излучение показывает Вселенную, которая оставалась гладкой и однородной. [3] [4] [5]
После образования первоначальных атомов водорода Вселенная состояла из почти полностью нейтральной, равномерно распределенной межгалактической среды (IGM), преимущественно состоящей из газообразного водорода. Эту эпоху, лишенную светящихся тел, называют космическими Темными веками. Теоретические модели предсказывают, что в течение последующих сотен миллионов лет гравитационные силы постепенно сжимали газ в более плотные области, что привело к появлению первых звезд — вехе, известной как Космический рассвет. [4] [5]
Формирование дополнительных звезд и сборка самых ранних галактик наводнили Вселенную ультрафиолетовыми фотонами , которые потенциально могли ионизировать газообразный водород. Через несколько сотен миллионов лет после Космического Рассвета первые звезды испустили достаточное количество ультрафиолетовых фотонов, чтобы реионизировать подавляющее большинство атомов водорода во Вселенной. Эта эпоха реионизации означает переход IGM обратно в состояние почти полной ионизации. [4] [5]
Наблюдательные исследования еще не изучили возникающую структурную сложность Вселенной. Для изучения самых ранних структур Вселенной необходим телескоп, превосходящий возможности космического телескопа Хаббл . Хотя теоретические модели показывают, что текущие измерения начинают изучать заключительную фазу реионизации, первые звезды и галактики из Темных веков и Космического Рассвета остаются за пределами досягаемости современных инструментов. [4]
Предполагаемая миссия DARE направлена на проведение новаторских измерений зарождения первых звезд и черных дыр, а также на выяснение характеристик до сих пор необнаруживаемого звездного населения. Эти наблюдения позволят контекстуализировать существующие данные и улучшить наше понимание процессов развития первых галактик из предшествующих космических структур. [3] [4] [5]
Миссия
[ редактировать ]Миссия DARE направлена на анализ спектрального профиля усредненного по небу, смещенного в красную сторону сигнала длиной 21 см в радиодиапазоне 40–120 МГц, ориентируясь на нейтральный водород на красном смещении между 11–35, что соответствует периоду 420–80 миллионов лет после Большой Взрыв. Предварительный график DARE включает трехлетнюю лунную орбиту с упором на сбор данных над обратной стороной Луны — регионом, который считается свободным от антропогенных радиочастотных помех и значительной ионосферной активности.
Научная аппаратура миссии, прикрепленная к бесшумной радиочастотной шине космического корабля, состоит из трехкомпонентной радиометрической системы, включающей электрически короткую коническую биконическую дипольную антенну , а также приемник и цифровой спектрометр. Ожидается, что использование DARE плавной частотной характеристики антенны и метода дифференциальной спектральной калибровки позволит смягчить интенсивный космический передний план, тем самым облегчив обнаружение слабого космического сигнала длиной 21 см.
Связанные инициативы
[ редактировать ]Помимо миссии DARE, было предложено несколько других инициатив по исследованию этой области. К ним относятся прецизионная решетка для исследования эпохи реионизации (PAPER), низкочастотная решетка (LOFAR), широкопольная решетка Мерчисона (MWA), гигантский метровволновой радиотелескоп (GMRT) и эксперимент с большой апертурой для обнаружения темных веков. (ЛЕДА).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]
- ^ «Темные века Вселенной могут раскрыться с помощью лунного орбитального корабля» . Space.com . 5 февраля 2016 года . Проверено 19 апреля 2016 г.
- ^ Александр, Таль; Натараджан, Приямвада (1 сентября 2014 г.). «Быстрый рост зародышевых черных дыр в ранней Вселенной за счет сверхэкспоненциальной аккреции» . Наука . 345 (6202): 1330–1333. arXiv : 1408.1718 . Бибкод : 2014Sci...345.1330A . дои : 10.1126/science.1251053 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25103410 . S2CID 22906546 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бернс, Джек О.; Лацио, Дж.; Бэйл, С.; Боуман, Дж.; Брэдли, Р.; Карилли, К.; Фурланетто, С.; Харкер, Г.; Леб, А.; Причард, Дж. (2012). «Исследование первых звезд и черных дыр в ранней Вселенной с помощью Dark Ages Radio Explorer (DARE)» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Достижения в космических исследованиях . 49 (3): 433. arXiv : 1106.5194 . Бибкод : 2012AdSpR..49..433B . дои : 10.1016/j.asr.2011.10.014 . S2CID 56282298 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Документ DARE в журнале «Достижения в области космических исследований» сейчас в печати» . Институт лунных наук НАСА. 2012.
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Обзор миссии DARE» . Университет Колорадо. 2012.
- ^ Бернс, Джек О., Дж. Лацио, Дж. Боуман, Р. Брэдли, К. Карилли, С. Фурланетто, Г. Харкер, А. Леб и Дж. Притчард. «Радиоисследователь темных веков (DARE)». в Бюллетене Американского астрономического общества , вып. 43, с. 10709. 2011.
- ^ Причард, Джонатан Р.; Леб, Авраам (2010). «Ограничение неизведанного периода между темными веками и реионизацией с помощью наблюдений глобального сигнала 21 см» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Физический обзор D . 82 (2): 023006. arXiv : 1005.4057 . Бибкод : 2010PhRvD..82b3006P . дои : 10.1103/PhysRevD.82.023006 . S2CID 117643093 .
- ^ «Миссия ДЭР» . lunar.colorado.edu . Проверено 13 сентября 2021 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Фурланетто, Стивен Р.; Пэн О, С.; Бриггс, Фрэнк Х. (2006). «Космология на низких частотах: переход 21 см и Вселенная с сильным красным смещением». Отчеты по физике . 433 (4–6): 181–301. arXiv : astro-ph/0608032 . Бибкод : 2006PhR...433..181F . doi : 10.1016/j.physrep.2006.08.002 . S2CID 118985424 .
