Vår nuvarande förståelse av fysik tyder på att det finns två huvudtyper av materia i universum som kallas mörk och baryonisk materia. Mörk materia består av material som forskare inte direkt kan observera, eftersom det inte avger ljus eller energi. Å andra sidan, baryoniskt material består av normalt atomämne, inklusive protoner, neutroner och elektroner.

I motsats till mörk materia, baryonisk materia kan interagera med fotoner, ger upphov till vad som kallas baryon akustiska oscillationer (BAO), som i huvudsak är fluktuationer i densitet orsakade av akustiska vågor. När du producerar BAO:er samma interaktioner genererar också supersoniska relativa hastigheter mellan mörk materia och baryoner.

Dessa genererade hastigheter är kända för att hindra bildandet av de första stjärnorna vid kosmisk gryning, epoken efter Big Bang när de första stjärnorna och galaxerna sprack till existens, modulera den förväntade signalen från denna specifika era. I en fascinerande tvådelad studie, en forskare vid Harvard University har nyligen visat att denna signalmodulering har formen av robusta hastighetsinducerade akustiska oscillationer (VAO), vilket i sin tur kan ge värdefull insikt om den kosmiska gryningstiden.

"Tanken att mörk materia och baryoner har en stor relativ hastighet har funnits sedan 2010, "Julian B. Muñoz, forskaren som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Faktiskt, samma år, andra forskare insåg att denna relativa hastighet skulle ha stor inverkan på bildandet av de första stjärnorna. Även om vi inte direkt kan se dessa stjärnor, eftersom de är väldigt långt borta och svaga, de kan indirekt detekteras med hjälp av 21 cm vätelinje. "

När Muñoz började arbeta med sitt projekt, han ville initialt implementera effekterna av relativ hastighet med hjälp av en offentlig simuleringskod som kallas 21cmFAST, som är standardverktyget som används av kosmologer för att förstå den kosmiska 21 cm-signalen. Han presenterade sedan resultaten av dessa simuleringar i ett papper publicerat i Fysisk granskning D .

"Medan jag utför mina simuleringar, Jag insåg att addering av hastigheterna ger robusta hastighetsinducerade akustiska oscillationer (VAO) i 21 cm-signalen, som har samma ursprung som de baryon akustiska svängningarna (BAO) som vi är vana vid, men produceras med relativa hastigheter, och inte över/under-densiteter, "Sa Muñoz." Dessa VAO:er präglar baryonens akustiska skala på 150 Mpc på 21 cm-kartorna, som sedan kan användas som en standardlinjal. "

I en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , Muñoz introducerade sedan tanken att VAO:erna slutligen uppstår genom koppling av baryoniskt material och fotoner resulterar i 21 cm-signalen (vanligtvis används för att detektera stjärnor) rumsligt oscillerande, med en känd period på 150 Mpc (cirka 450 miljoner ljusår). Han föreslår då att som formen och egenskaperna hos dessa svängningar är kända, de kan användas som en standardlinjal för att mäta universums storlek under kosmisk gryning (dvs. en kvart miljard år efter Big Bang).

Idén som introducerades av Muñoz är minst sagt fascinerande, som astrofysiker för närvarande inte har något annat sätt att komma åt denna specifika kosmiska era. Med andra ord, denna mätning eller "standard linjal" skulle vara den första i sitt slag, öppna nya spännande möjligheter för studier relaterade till 21-cm-signalen, såsom väteepoken av rejoniseringsarray (HERA) -projektet.

HERA -projektet är ett samarbete mellan astrofysiker och forskare vid U.S. Sydafrikanska och brittiska institutioner syftade till att bygga ett teleskop som på ett robust sätt kan upptäcka epoken med rejonisering (EOR) rödskiftad väteeffektspektrumsignatur. Ett ytterligare mål med detta projekt är insamling av data som kan bredda den nuvarande förståelsen för den kosmiska gryningstiden.

"Ett av målen med mitt projekt var att inkludera de relativa hastigheterna på den offentliga 21 cm-koden 21cmFAST, eftersom de ändrar alla förutsägelser under kosmisk gryning, "Sa Muñoz." Detta är nödvändigt för att förstå signalen på 21 cm som förhoppningsvis kommer att upptäckas under de närmaste åren, till exempel, av HERA -samarbetet. "

När Muñoz fortsätter att förklara, moduleringen inducerad av VAO:er är ett intressant fenomen i sig, när baryonernas akustiska fysik blir präglad på fördelningen av de första stjärnorna och därmed på 21 cm kartor. Just för att baryonernas akustiska fysik är känd, dessa hastigheter kan ge en robust standardlinjal under kosmisk gryning.

"Att mäta universums storlek under kosmisk gryning skulle vara spännande, eftersom denna era är halvvägs mellan den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) och det lokala universum, som är oense om mätningar av universums storlek (den berömda H0 -spänningen mellan supernovor och CMB -data), Sa Muñoz.

HERA-samarbetet kommer snart att börja samla in data relaterade till den 21 cm långa effektsignalen som avges vid kosmisk gryning. När dessa uppgifter blir tillgängliga, den skulle kunna användas för att mäta universums expansionstakt under kosmisk gryning, en era som hittills förblivit ett mysterium på grund av brist på verktyg för att undersöka det. När detta händer, de idéer som introducerats av Muñoz kan visa sig vara extremt värdefulla, eftersom de belyser den möjliga användningen av VAO som en standardlinjal under denna tidigare oproberade epok.

Även om teorin som introducerades i detta projekt kan vara av stort värde, vissa aspekter av VAO är fortfarande dåligt förstådda. I hans framtida arbete, Muñoz planerar att fortsätta undersöka VAO, till exempel försöker bättre förstå hur de modulerar feedbacken på den första stjärnbildningen, vilket för närvarande är oklart.

"Jag tänker också förfina prognoserna inklusive mer komplexa förgrunds- och brusmodeller, som efterliknar HERA -instrumentets, eftersom HERA med stor sannolikhet kommer att observera dessa VAO under det närmaste decenniet, Sa Muñoz.

© 2019 Science X Network