Ons huidige begrip van de natuurkunde suggereert dat er twee hoofdtypen materie in het universum zijn die bekend staan ​​als donkere en baryonische materie. Donkere materie bestaat uit materiaal dat wetenschappers niet direct kunnen waarnemen, omdat het geen licht of energie uitstraalt. Anderzijds, baryonische materie bestaat uit normale atomaire materie, inclusief protonen, neutronen en elektronen.

In tegenstelling tot donkere materie, baryonische materie kan interageren met fotonen, wat aanleiding geeft tot wat bekend staat als baryon akoestische oscillaties (BAO's), die in wezen fluctuaties in dichtheid zijn veroorzaakt door akoestische golven. Bij het produceren van BAO's, dezelfde interacties genereren ook supersonische relatieve snelheden tussen donkere materie en baryonen.

Van deze gegenereerde snelheden is bekend dat ze de vorming van de eerste sterren bij kosmische dageraad belemmeren, het tijdperk na de oerknal toen de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden, moduleren van het verwachte signaal van dit specifieke tijdperk. In een fascinerende tweedelige studie, een onderzoeker aan de Harvard University heeft onlangs aangetoond dat deze signaalmodulatie de vorm aanneemt van robuuste snelheidsgeïnduceerde akoestische oscillaties (VAO's), die op hun beurt waardevolle inzichten kunnen verschaffen over het kosmische dageraad-tijdperk.

"Het idee dat donkere materie en baryonen een grote relatieve snelheid hebben, bestaat al sinds 2010, " Julian B. Muñoz, de onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In feite, datzelfde jaar, andere onderzoekers realiseerden zich dat deze relatieve snelheid een grote impact zou hebben op de vorming van de eerste sterren. Hoewel we deze sterren niet direct kunnen zien, omdat ze erg ver weg en vaag zijn, ze kunnen indirect worden gedetecteerd met behulp van de 21 cm-lijn van waterstof."

Toen Muñoz aan zijn project begon te werken, hij wilde aanvankelijk de effecten van relatieve snelheid implementeren met behulp van een openbare simulatiecode die bekend staat als 21cmFAST, dat is het standaardinstrument dat door kosmologen wordt gebruikt om het kosmische signaal van 21 cm te begrijpen. Vervolgens presenteerde hij de resultaten van deze simulaties in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling D .

"Tijdens het uitvoeren van mijn simulaties, Ik realiseerde me dat het toevoegen van de snelheden robuuste, door snelheid geïnduceerde akoestische oscillaties (VAO's) in het 21 cm-signaal produceert, die dezelfde oorsprong hebben als de baryon akoestische oscillaties (BAO's) die we gewend zijn, maar worden geproduceerd door relatieve snelheden, en niet over/onder-dichtheden, "Zei Muñoz. "Deze VAO's drukken de akoestische baryonschaal van 150 Mpc af op de kaarten van 21 cm, die dan kan worden gebruikt als een standaard liniaal."

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Muñoz introduceerde vervolgens het idee dat de VAO's die uiteindelijk ontstaan ​​door de koppeling van baryonische materie en fotonen ertoe leiden dat het 21 cm-signaal (meestal gebruikt om sterren te detecteren) ruimtelijk oscilleert, met een bekende periode van 150 Mpc (ongeveer 450 miljoen lichtjaar). Hij suggereert vervolgens dat, aangezien de vorm en kenmerken van deze oscillaties bekend zijn, ze kunnen worden gebruikt als een standaardliniaal om de grootte van het universum te meten tijdens kosmische dageraad (d.w.z. een kwart miljard jaar na de oerknal).

Het idee geïntroduceerd door Muñoz is op zijn zachtst gezegd fascinerend, aangezien astrofysici momenteel geen andere manier hebben om toegang te krijgen tot dit specifieke kosmische tijdperk. Met andere woorden, deze meting of 'standaardliniaal' zou de eerste in zijn soort zijn, het openen van nieuwe opwindende mogelijkheden voor studies met betrekking tot het 21-cm-signaal, zoals het waterstof tijdperk van reionization array (HERA) project.

Het HERA-project is een samenwerking tussen astrofysici en onderzoekers van de V.S., Zuid-Afrikaanse en Britse instellingen gericht op het bouwen van een telescoop die het tijdperk van reionisatie (EOR) roodverschoven waterstofvermogen spectrum handtekening krachtig kan detecteren. Een ander doel van dit project is het verzamelen van gegevens die het huidige begrip van het kosmische dageraad-tijdperk zouden kunnen verbreden.

"Een van de doelen van mijn project was om de relatieve snelheden op te nemen in de openbare 21-cm code 21cmFAST, omdat ze alle voorspellingen veranderen tijdens de kosmische dageraad, "Zei Muñoz. "Dit is nodig om het 21-cm-signaal te begrijpen dat hopelijk in de komende jaren zal worden gedetecteerd, bijvoorbeeld, door de HERA-samenwerking."

Zoals Muñoz verder uitlegt, de modulatie veroorzaakt door de VAO's is op zich een interessant fenomeen, terwijl de akoestische fysica van de baryonen wordt afgedrukt op de verdeling van de eerste sterren en dus op kaarten van 21 cm. Juist omdat de akoestische fysica van de baryonen bekend is, deze snelheden zouden tijdens de kosmische dageraad een robuuste standaardliniaal kunnen bieden.

"Het meten van de grootte van het universum tijdens kosmische dageraad zou opwindend zijn, aangezien dit tijdperk halverwege tussen de kosmische microgolfachtergrond (CMB) en het plaatselijk universum ligt, die het oneens zijn over metingen van de grootte van het heelal (de beroemde H0-spanning tussen supernovae en CMB-gegevens), ' zei Munoz.

De HERA-samenwerking zal binnenkort beginnen met het verzamelen van gegevens met betrekking tot het 21-cm-vermogenssignaal dat wordt uitgezonden bij kosmische dageraad. Zodra deze gegevens beschikbaar zijn, het zou kunnen worden gebruikt om de uitdijingssnelheid van het universum te meten tijdens kosmische dageraad, een tijdperk dat tot nu toe een mysterie is gebleven vanwege een gebrek aan hulpmiddelen om het te onderzoeken. Wanneer dit gebeurt, de door Muñoz geïntroduceerde ideeën kunnen zeer waardevol blijken te zijn, omdat ze het mogelijke gebruik van VAO's als standaardliniaal benadrukken tijdens dit voorheen niet onderzochte tijdperk.

Hoewel de in dit project geïntroduceerde theorie van grote waarde zou kunnen zijn, sommige aspecten van VAO's worden nog steeds slecht begrepen. In zijn toekomstige werk Muñoz is van plan door te gaan met het onderzoeken van VAO's, bijvoorbeeld proberen beter te begrijpen hoe ze de feedback op de eerste stellaire formatie moduleren, wat op dit moment onduidelijk is.

"Ik ben ook van plan om de voorspellingen te verfijnen, inclusief complexere voorgrond- en ruismodellen, die die van het HERA-instrument nabootsen, aangezien het zeer waarschijnlijk is dat HERA deze VAO's in het volgende decennium zal waarnemen, ' zei Munoz.

© 2019 Wetenschap X Netwerk