은하계는 초기 우주에서 많이 달랐습니까?

[아름이]

은하계는 초기 우주에서 많이 달랐습니까?
HERA의 최신 데이터는 우주 새벽 복사 검색을 개선하고 은하 형성 이론을 테스트합니다.
날짜:
2023년 1월 24일
원천:
캘리포니아 대학교 - 버클리
요약:
별이 점화된 빅뱅 이후 약 2억년 후인 우주의 새벽에서 무선 신호를 찾는 가장 민감한 망원경이 감도를 두 배로 늘렸다고 새로운 논문이 보도했습니다. 적색 편이된 21센티미터 선인 이 방사선을 아직 감지하지 못했지만 그들은 재이온화 시대 동안 은하의 원소 구성에 새로운 한계를 두었습니다. 초기 은하는 우주 진화에 대한 가장 대중적인 이론에 부합하는 금속 함량이 낮은 것으로 보입니다.

남아프리카 공화국의 카루 사막에 있는 350개의 전파 망원경 배열은 별이 처음으로 점화되고 은하가 꽃을 피우기 시작한 빅뱅 이후의 시대인 "우주의 새벽"을 탐지하는 데 점점 더 가까워지고 있습니다.

HERA(Hydrogen Epoch of Reionization Array) 팀은 The Astrophysical Journal 에 게재가 승인된 논문에서 어레이의 감도를 두 배로 늘렸다고 보고합니다. 우주의 역사.

그들은 아직 우주 암흑기 말기의 전파 방출을 실제로 감지하지는 못했지만, 그들의 결과는 초기 우주에서 별과 은하의 구성에 대한 단서를 제공합니다. 특히, 그들의 데이터는 초기 은하가 오늘날 우리 은하와 달리 수소와 헬륨 외에 매우 적은 양의 원소를 포함하고 있음을 시사합니다.

라디오 접시가 완전히 온라인 상태가 되고 보정되면 이상적으로는 이번 가을에 팀은 약 2억년 전부터 빅뱅 후 약 10억년까지 진화한 이온화 및 중성 수소 거품의 3D 지도를 구성하기를 희망합니다. 지도는 초기의 별과 은하가 오늘날 우리 주변에서 보는 것과 어떻게 다른지, 그리고 우주 전체가 청소년기에 어떻게 생겼는지 알려줄 수 있습니다.

"이것은 우주론에서 잠재적으로 혁명적인 기술을 향해 나아가고 있습니다. 일단 필요한 감도에 도달할 수 있으면 데이터에 너무 많은 정보가 있습니다. 논문의 주 저자. "우주에 있는 대부분의 발광 물질에 대한 3D 지도는 향후 50년 이상의 목표입니다."

다른 망원경들도 초기 우주를 들여다보고 있습니다. 새로운 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 이제 빅뱅에서 우주가 탄생한 지 약 3억 2500만 년 후에 존재했던 은하를 이미지화했습니다. 그러나 JWST는 재이온화 시대에 형성된 가장 밝은 은하만 볼 수 있으며, 별이 은하간 매체를 가열하고 대부분의 수소 가스를 이온화한 더 작지만 훨씬 더 많은 왜소은하를 볼 수 없습니다.

HERA는 초기 별과 은하 사이의 공간을 채운 중성 수소의 방사선을 감지하고 특히 수소가 이온화되어 전파 방출 또는 흡수를 멈춘 시점을 결정합니다.

HERA 팀이 우주 암흑기의 차가운 수소 내에서 이온화된 수소 거품을 아직 감지하지 못했다는 사실은 초기 우주에서 별이 어떻게 진화했는지에 대한 일부 이론을 배제합니다.

특히 데이터는 빅뱅 이후 약 2억년 후에 형성되었을 수 있는 가장 초기의 별에는 수소와 헬륨 외에 다른 원소가 거의 포함되어 있지 않음을 보여줍니다. 이것은 헬륨보다 무거운 리튬에서 우라늄에 이르는 원소에 대한 천문학적 용어인 소위 금속이라는 다양한 원소를 가진 오늘날의 별의 구성과 다릅니다. 이 발견은 별과 별의 폭발이 대부분의 다른 요소를 생성하는 방법에 대한 현재 모델과 일치합니다.

HERA의 수석 연구원이자 UC Berkeley 천문학 부교수인 Aaron Parsons는 "초기 은하는 신호를 보지 않으려면 오늘날 우리가 관찰하는 은하와 상당히 달라야 했습니다."라고 말했습니다. "특히 그들의 X선 특성이 바뀌어야 합니다. 그렇지 않으면 우리가 찾고 있는 신호를 감지했을 것입니다."

초기 우주에서 별의 원자 구성은 별이 형성되기 시작한 후 은하간 매체를 가열하는 데 걸리는 시간을 결정했습니다. 이것의 핵심은 이중성 중 하나가 블랙홀이나 중성자별로 붕괴되고 점차 동반자를 먹고 있는 쌍성에서 생성되는 주로 X선과 같은 고에너지 방사선입니다. 무거운 원소가 적기 때문에 동반자의 많은 질량이 블랙홀로 떨어지는 대신 날아가서 더 적은 엑스레이와 주변 지역의 가열이 적습니다.

새로운 데이터는 빅뱅 이후 별과 은하가 어떻게 처음 형성되었는지에 대한 가장 대중적인 이론에 부합하지만 다른 이론에는 부합하지 않습니다. 1년 전에 보고된 HERA 데이터의 첫 번째 분석의 예비 결과는 이러한 대안, 특히 저온 재이온화(cold reionization)가 가능성이 낮다는 것을 암시했습니다.

"우리의 결과는 재이온화 이전과 빅뱅 이후 4억 5천만 년까지 은하 사이의 가스가 X선에 의해 가열되었을 것임을 요구합니다. 이것은 하나의 별이 동반자 검은색으로 질량을 잃는 이원성 시스템에서 나온 것 같습니다. 구멍." 딜런이 말했다. "우리의 결과는 만약 그렇다면 그 별들은 매우 낮은 '금속성', 즉 태양에 비해 수소와 헬륨 이외의 원소가 매우 적었음에 틀림없다는 것을 보여줍니다. 대부분의 다른 요소가 형성되기 전의 우주 시간."

재이온화의 시대

138억년 전 빅뱅에서 우주의 기원은 양성자와 전자가 결합하여 원자(주로 수소와 헬륨)를 형성하기 전에 수십만 년 동안 냉각된 기본 입자와 에너지의 뜨거운 가마솥을 생산했습니다. 천문학자들은 민감한 망원경으로 하늘을 바라보면서 빅뱅 이후 불과 38만 년이 지난 지금 우주 마이크로파 배경으로 알려진 이 순간부터 희미한 온도 변화를 자세히 지도화했습니다.

그러나이 유물 열 복사를 제외하고 초기 우주는 어두웠습니다. 우주가 팽창함에 따라 물질 덩어리가 은하와 별에 씨앗을 뿌렸고, 그 결과 별 사이의 가스를 가열하는 자외선과 X선과 같은 방사선을 생성했습니다. 어느 시점에서 수소는 이온화되기 시작하여 전자를 잃었고 중성 수소 내에서 기포를 형성하여 재이온화 시대의 시작을 알렸습니다.

이러한 기포를 매핑하기 위해 HERA 및 기타 여러 실험은 중성 수소가 흡수하고 방출하지만 이온화된 수소는 그렇지 않은 빛의 파장에 초점을 맞춥니다. 21센티미터 선(1,420메가헤르츠의 주파수)이라고 하는 이 선은 전자와 양성자의 스핀이 평행에서 반평행으로 뒤집히는 초미세 전이에 의해 생성됩니다. 유일한 전자를 잃은 이온화된 수소는 이 무선 주파수를 흡수하거나 방출하지 않습니다.

재이온화 시대 이후로 21센티미터 선은 우주 팽창으로 인해 10배 더 긴 파장(약 2미터 또는 6피트)으로 적색 편이되었습니다. 치킨 와이어, PVC 파이프 및 전신주로 구성된 HERA의 다소 단순한 안테나는 이 방사선을 수집하여 탐지기에 집중시키기 위해 폭이 14미터입니다.

"2미터 파장에서 치킨 와이어 메쉬는 거울입니다."라고 Dillon은 말했습니다. "그리고 말하자면 모든 정교한 것들은 슈퍼컴퓨터 백엔드와 그 이후에 오는 모든 데이터 분석에 있습니다."

새로운 분석은 어레이의 1단계인 약 40개의 안테나로 2017년과 2018년에 관찰한 94일 밤을 기반으로 합니다. 작년의 예비 분석은 1단계 관찰의 18일 밤을 기반으로 했습니다.

새로운 논문의 주요 결과는 HERA 팀이 빅뱅 이후 약 6억 5천만년 후에 방출된 빛(7.9의 적색 편이 또는 파장 증가)에 대해 어레이의 감도를 2.1배, 빅뱅(10.4의 적색편이) 이후 약 4억 5천만 년 후에 방출된 방사선.

HERA 팀은 초기 우주에서 지구 근처의 전파 잡음 강도의 약 100만분의 1에 해당하는 거품을 볼 수 있기를 바라며 망원경의 보정 및 데이터 분석을 계속 개선하고 있습니다. 초기 우주의 방사선을 보기 위해 지역 라디오 노이즈를 걸러내는 것은 쉽지 않았습니다.

"스위스 치즈라면 은하계가 구멍을 만들고 우리는 치즈를 찾고 있습니다."라고 UC 버클리 전파 천문학 연구소의 연구 천문학자인 David Deboer는 지금까지 성공하지 못했다고 말했습니다.

그러나 그 비유를 확장하면서 Dillon은 "우리가 한 것은 아무 일도 일어나지 않았을 때보다 치즈가 더 따뜻해야 한다고 말했습니다. 치즈가 따뜻했다면."

그것은 대부분 저온 재이온화 이론을 배제하는데, 그것은 더 차가운 출발점을 상정합니다. 대신 HERA 연구원들은 X선 쌍성에서 나온 X선이 먼저 은하계 매체를 가열했다고 의심합니다.

"X-레이는 구멍이 형성되기 전에 전체 치즈 블록을 효과적으로 가열할 것입니다."라고 Dillon은 말했습니다. "그리고 그 구멍은 이온화된 비트입니다."

Parsons는 "HERA는 지속적으로 개선하고 있으며 점점 더 나은 한계를 설정하고 있습니다."라고 말했습니다. "우리가 계속 추진할 수 있고 우리 망원경에 계속해서 열매를 맺는 새로운 기술이 있다는 사실은 훌륭합니다."

HERA 협업은 UC Berkeley가 주도하며 북미, 유럽 및 남아프리카 전역의 과학자들을 포함합니다. 배열의 건설은 남아프리카 정부와 남아프리카 전파천문대(SARAO)의 주요 지원과 함께 국립과학재단과 고든과 베티 무어 재단이 자금을 지원합니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/