Картирование интенсивности
В космологии картирование интенсивности — это метод наблюдения для изучения крупномасштабной структуры Вселенной с использованием интегрированного радиоизлучения неразрешенных газовых облаков.
В наиболее распространенном варианте — картировании интенсивности на расстоянии 21 см — эмиссионная линия нейтрального водорода на расстоянии 21 см для отслеживания газа используется . Водород следует за колебаниями основного поля космической плотности, причем области с более высокой плотностью вызывают более высокую интенсивность излучения. Поэтому флуктуации интенсивности можно использовать для восстановления спектра мощности флуктуаций вещества . Частота линии излучения смещается в красную сторону из-за расширения Вселенной, поэтому, используя радиоприемники, охватывающие широкий диапазон частот, можно обнаружить этот сигнал как функцию красного смещения и, следовательно, космического времени. В принципе это похоже на исследование красного смещения галактик , с той важной разницей, что галактики необходимо обнаруживать и измерять индивидуально, что делает картографирование интенсивности значительно более быстрым методом. [ 1 ]
История
[ редактировать ]- Август 1977 года: Варшалович и Херсонский. [ 2 ] рассчитайте влияние поглощения линии 21 см при высоком красном смещении на спектр реликтового излучения.
- Август 1996 г.: Мадау, Мейксин и Рис. [ 3 ] предложить картирование интенсивности как способ исследования Эпохи Реионизации .
- Декабрь 2001 г.: Бхарадвадж и Сетхи. [ 4 ] предлагают использовать карты интенсивности нейтрального водорода для наблюдения за распределением вещества в постреионизационную эпоху.
- Январь 2004 г.: Бэтти, Дэвис и Веллер. [ 5 ] предлагают использовать карты интенсивности 21 см для измерения темной энергии .
- Июнь 2006 г.: Петерсон, Бандура и Пен. [ 6 ] предложить водородное исследование сферы Хаббла
- Март 2009 г.: Впервые наблюдался космологический сигнал HI с красным смещением 1,12. [ 7 ] телескопом Грин-Бэнк .
- Январь 2013 г.: начинается строительство эксперимента CHIME. [ 8 ] в Британской Колумбии , Канада.
Научные применения
[ редактировать ]Картирование интенсивности было предложено как способ измерения поля плотности космической материи в нескольких различных режимах.
Эпоха реионизации
[ редактировать ]Между периодами рекомбинации и реионизации барионное содержимое Вселенной – в основном водород – существовало в нейтральной фазе. Обнаружение излучения на длине волны 21 см с этого времени, вплоть до конца реионизации, было предложено как мощный способ изучения раннего структурообразования. [ 9 ] Этот период истории Вселенной соответствует красным смещениям к , что подразумевает диапазон частот для экспериментов по картированию интенсивности 50–200 МГц.
Крупномасштабная структура и темная энергия
[ редактировать ]Вселенной В более поздние времена, после реионизации , большая часть оставшегося нейтрального водорода хранится в плотных газовых облаках, называемых затухающими системами Лайман-альфа , где он защищен от ионизирующего УФ-излучения . Они преимущественно расположены в галактиках, поэтому сигнал нейтрального водорода фактически является индикатором распределения галактик.
Как и в случае с обзорами красного смещения галактик, наблюдения за картированием интенсивности можно использовать для измерения геометрии и скорости расширения Вселенной (и, следовательно, свойств темной энергии). [ 1 ] ), используя особенность барионных акустических колебаний в спектре мощности материи в качестве стандартной линейки . Скорость роста структуры, полезная для проверки модификаций общей теории относительности . [ 10 ] также может быть измерено с использованием искажений пространства в виде красного смещения . Обе эти особенности обнаруживаются на больших масштабах от десятков до сотен мегапарсек , поэтому для их обнаружения достаточно карт нейтрального водорода с низким угловым разрешением (неразрешенных). Это следует сравнить с разрешением исследования красного смещения, которое должно обнаруживать отдельные галактики, размер которых обычно составляет всего несколько десятков килопарсек.
Поскольку исследования карт интенсивности могут выполняться намного быстрее, чем традиционные оптические исследования красного смещения, можно нанести на карту значительно большие объемы Вселенной. Таким образом, картирование интенсивности было предложено как способ измерения явлений в чрезвычайно больших масштабах, включая изначальную негауссовость из-за инфляции. [ 11 ] и общерелятивистские поправки к корреляционной функции материи . [ 12 ]
Молекулярные и тонкие структурные линии
[ редактировать ]В принципе, любую линию излучения можно использовать для построения карт интенсивности, если ее можно обнаружить. Другие эмиссионные линии, предложенные в качестве космологических индикаторов, включают:
- Вращательные переходы в молекулах, таких как окись углерода. [ 13 ]
- Переходы тонкой структуры таких веществ, как ионизированный углерод. [ 14 ]
- Лайман-альфа-выбросы водорода [ 15 ]
Эксперименты
[ редактировать ]Следующие телескопы либо проводили картирование интенсивности, либо планируют проводить их в будущем.
- ТЯНЬЛАЙ (Китай) [ 16 ]
- БИНГО (Бразилия/Уругвай/Великобритания)
- CHIME (Канада)
- КОМАП (США) [ 17 ]
- ФАСТ (Китай)
- Телескоп Грин-Бэнк (США)
- ХИРАКС (Южная Африка)
- КАТ7 (Южная Африка)
- МеерКАТ (Южная Африка) [ 18 ]
- Радиотелескоп Паркс (Австралия)
- БУМАГА (США/ЮАР/Австралия)
- Массив квадратных километров (Южная Африка/Австралия)
Центр космических полетов Годдарда также проводит ряд экспериментов по картированию интенсивности .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Булл, Филип; Феррейра, Педро Г.; Патель, Прина; Сантос, Марио Г. (2015). «Космология позднего времени с экспериментами по картированию интенсивности на расстоянии 21 см». Астрофизический журнал . 803 (1): 21. arXiv : 1405.1452 . Бибкод : 2015ApJ...803...21B . дои : 10.1088/0004-637X/803/1/21 . S2CID 118350366 .
- ^ Варшалович Д.А.; Херсонский, В.К. (1 августа 1977). «Искажение спектра первичного излучения 21-см линией водорода в эпохи z = 150-15» . Советские астрономические письма . 3 : 155. Бибкод : 1977СвАЛ....3..155В .
- ^ Мадау, Пьеро; Мейксин, Эйвери; Рис, Мартин Дж. (1997). «21-сантиметровая томография межгалактической среды при высоком красном смещении». Астрофизический журнал . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph/9608010 . Бибкод : 1997ApJ...475..429M . дои : 10.1086/303549 . S2CID 118239661 .
- ^ Бхарадвадж, Сомнатх; Сетхи, Шив К. (декабрь 2001 г.). «Флуктуации HI при больших красных смещениях: корреляция I-видимости». Журнал астрофизики и астрономии . 22 (4): 293–307. arXiv : astro-ph/0203269 . Бибкод : 2001JApA...22..293B . дои : 10.1007/BF02702273 . S2CID 14605700 .
- ^ Бэтти, Ричард А.; Дэвис, Род Д.; Веллер, Йохен (2004). «Обзоры нейтрального водорода для скоплений галактик и протокластеров с большим красным смещением». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 355 (4): 1339–1347. arXiv : astro-ph/0401340 . Бибкод : 2004MNRAS.355.1339B . дои : 10.1111/j.1365-2966.2004.08416.x . S2CID 16655207 .
{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка ) - ^ Петерсон, Джеффри Б.; Бандура, Кевин; Пен, Уэ Ли (2006). «Исследование водорода сферой Хаббла» . arXiv : astro-ph/0606104 . Бибкод : 2006astro.ph..6104P .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Чанг, Цзы-Цзин; Пен, Уэ-Ли; Бандура, Кевин; Петерсон, Джеффри Б. (22 июля 2010 г.). «Карта интенсивности излучения водорода на длине волны 21 см при красном смещении z ≈ 0,8». Природа . 466 (7305): 463–465. Бибкод : 2010Natur.466..463C . дои : 10.1038/nature09187 . ПМИД 20651685 . S2CID 4404546 .
- ^ «Начинается строительство крупнейшего радиотелескопа Канады» . Физика.орг . 24 января 2013 г. Проверено 17 августа 2014 г.
- ^ Леб, Авраам; Салдарриага, Матиас (май 2004 г.). «Измерение мелкомасштабного энергетического спектра флуктуаций космической плотности с помощью 21-сантиметровой томографии до эпохи структурообразования». Письма о физических отзывах . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph/0312134 . Бибкод : 2004PhRvL..92u1301L . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.211301 . ПМИД 15245272 . S2CID 30510359 .
- ^ Холл, Алекс; Бонвен, Камилла; Чаллинор, Энтони (19 марта 2013 г.). «Проверка общей теории относительности с помощью картирования интенсивности на расстоянии 21 см». Физический обзор D . 87 (6): 064026. arXiv : 1212.0728 . Бибкод : 2013PhRvD..87f4026H . дои : 10.1103/PhysRevD.87.064026 . S2CID 119254857 .
- ^ Камера, Стефано; Сантос, Марио Г.; Феррейра, Педро Г.; Феррамачо, Луис (2013). «Космология в сверхбольших масштабах с картированием интенсивности излучения нейтрального водорода 21 см: пределы изначальной негауссовости». Письма о физических отзывах . 111 (17): 171302. arXiv : 1305.6928 . Бибкод : 2013PhRvL.111q1302C . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.171302 . ПМИД 24206474 . S2CID 27160707 .
- ^ Мартенс, Рой; Чжао, Гонг-Бо; Бэкон, Дэвид; Кояма, Казуя; Ракканелли, Альвизе (26 февраля 2013 г.). «Релятивистские поправки и негауссовость в обзорах радиоконтинуума». Журнал космологии и физики астрочастиц 2013 (2): 044.arXiv : 1206.0732 . Бибкод : 2013JCAP...02..044M . дои : 10.1088/1475-7516/2013/02/044 . S2CID 21985095 .
- ^ Лидз, Адам; Фурланетто, Стивен Р.; Пэн О, С.; Агирре, Джеймс; Чанг, Цзы-Цзин; Доре, Оливье; Причард, Джонатан Р. (10 ноября 2011 г.). «КАРТИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ЛИНИИ ВЫБРОСА УГАРНОГО ГОДА И КРАСНОСМЕЩЕННОЙ ЛИНИИ 21 СМ». Астрофизический журнал . 741 (2): 70. arXiv : 1104.4800 . Бибкод : 2011ApJ...741...70L . дои : 10.1088/0004-637X/741/2/70 . S2CID 45158086 .
- ^ Гонг, Ян; Ура, Асанта; Сильва, Марта; Сантос, Марио Г.; Бок, Джеймс; Брэдфорд, К. Мэтт; Земцов, Михаил (январь 2012 г.). «Картирование интенсивности линии тонкой структуры [CII] в эпоху реионизации». Астрофизический журнал . 745 (1): 49. arXiv : 1107.3553 . Бибкод : 2012ApJ...745...49G . дои : 10.1088/0004-637X/745/1/49 . S2CID 41261385 .
- ^ Пуллен, Энтони Р.; Доре, Оливье; Бок, Джейми (май 2014 г.). «Картирование интенсивности в космические времена с помощью линии Lyα». Астрофизический журнал . 786 (2): 111. arXiv : 1309.2295 . Бибкод : 2014ApJ...786..111P . дои : 10.1088/0004-637X/786/2/111 . S2CID 50979853 .
- ^ «Проект Тяньлай» . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ «Радиастрономическая лаборатория Кэхилла — CRAL» . www.astro.caltech.edu . Проверено 6 ноября 2017 г.
- ^ Ван, Цзинъин; Сантос, Марио Г.; Булл, Филип; Грейндж, Кейт; Каннингтон, Стивен; Фонсека, Хосе; Ирфан, Мелис О.; Ли, Ичао; Пурциду, Алкистис; Соареш, Паула С.; Спинелли, Марта (2021). «Картирование интенсивности Hi с помощью MeerKAT: конвейер калибровки для многочастотных автокорреляционных наблюдений». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 505 (3): 3698–3721. arXiv : 2011.13789 . дои : 10.1093/mnras/stab1365 .
{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка )