سیگنالی از پایان عصر تاریک کیهان

مجله علمی ایلیاد - محققان گام مهمی در جهت کشف سیگنالی از دوره‌ای در تاریخ کیهان اولیه برداشتند. تقریباً دوازده میلیارد سال پیش، با درخشش اولین ستارگان و کهکشان‌ها، جهان از دل عصر تاریک کیهانی پدید آمد.

محققان در مقاله‌ی خود، اولین تجزیه و تحلیل داده‌های پیکربندی جدید «آرایه‌ی تلسکوپ رادیویی مورچیسون وایدفیلد - MWA» که برای جستجوی سیگنال هیدروژنِ خنثی طراحی شده‌ است را ارائه دادند. گاز هیدروژن خنثی گازی است که در عصر تاریک کیهان بر جهان حاکم بود. تجزیه و تحلیل محققان حد جدیدی را برای قوی بودنِ سیگنال هیدروژن خنثی تعیین می‌کند.

«جاناتان پوبر» نویسنده‌ی این مقاله و استادیار فیزیک دانشگاه براون، می‌گوید: «می‌توانیم با اطمینان بگوییم که اگر سیگنال هیدروژن خنثی قدرتمندتر از حدی که روی کاغذ تعیین کردیم باشد، آن وقت تلسکوپ آن را تشخیص می‌داد. این یافته‌ها می‌تواند به ما کمک کند تا زمان‌ پایان عصر تاریک کیهان و ظهور اولین ستارگان را محدود کنیم.»

دوره‌ی شکل‌گیری اولین ستارگان که به دوران «یونیزاسیونِ مجدد – EoR» معروف است، علیرغم اهمیتی که در تاریخ کیهانی دارد، اطلاعات کمی درمورد آن در دست است. اولین اتم‌هایی که بعد از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، یون‌های هیدروژن با بار مثبت بودند؛ در واقع اتم‌هایی که الکترون‌های آن‌ها انرژی جهانِ تازه متولدشده را از بین برد.

با سرد شدن و گسترش جهان، اتم‌های هیدروژن مجدداً با الکترون‌های خود ترکیب شدند تا هیدروژن خنثی تشکیل دهند و تا دوازده ملیارد سال قبل که اتم‌ها به هم پیوستن را شروع کردند تا ستارگان و کهکشان‌ها را تشکیل بدهند، این ترکیب شدنِ اتم‌های هیدروژن با الکترون‌های‌شان در جهان، ادامه داشت. نور موجود در آن اجرام، هیدروژن خنثی را دوباره یونیزه می‌کرد و باعث می‌شد تا حد زیادی از فضای میان‌ستاره‌ای ناپدید شود.

 

هدف پروژه‌هایی مانند MWA یافتن سیگنال هیدروژن خنثی از دوران تاریک کیهان است و اینکه با آشکار شدنِ EoR چگونه آن سیگنال تغییر کرده است؟ به این ترتیب، می‌توان اطلاعات جدید و مهمی در مورد اولین ستارگان و عناصر اصلی و اساسی جهانی که امروزه می‌بینیم، یافت. اما نگاهی گذار و آنی به آن سیگنالِ دوازده میلیارد ساله کار دشواری است و به ابزارهایی با حساسیتِ بسیار بالا نیاز است.

MWA وقتی در سال ۲۰۱۳ شروع به فعالیت کرد، آرایه‌ای از ۲۰۴۸ آنتن رادیویی مستقر در غرب استرالیا بود. آنتن‌ها در ۱۲۸ قطعه‌، به هم بسته شده‌اند که ابرکامپیوتری به‌نام «Correlator» سیگنال‌های آن‌ها را با هم ترکیب می‌کند. در سال ۲۰۱۶ محققان تعداد قطعه‌ها را به ۲۵۶ افزایش دادند و پیکربندی آن‌ها در آن چشم‌انداز را تغییر دادند تا حساسیت آن‌ها به سیگنال هیدروژن خنثی را افزایش دهند. این مقاله‌ی جدید اولین تجزیه و تحلیل داده‌های آن آرایه‌ی گسترده است.

هیدروژن خنثی تابشی با طول موج ۲۱ سانتی‌متر ساطع می‌کند. با گسترش جهان در ۱۲ میلیارد سال گذشته، اکنون سیگنالِ EoR به تقریباً دو متر رسیده است و این همان چیزی است که ستاره‌شناسانِ MWA به دنبال آن هستند. مسئله این است که منابع بی‌شمار دیگری هم وجود دارد که در همین طول موج تابش ساطع می‌کنند، منابع انسانی مانند تلویزیون‌های دیجیتال و همچنین منابع طبیعی از درون کهکشان راه‌شیری و از میلیون‌ها کهکشان دیگر.

پوبر می‌گوید: «همه‌ی این منابعِ اضافی، دسته‌های زیادی هستند که بزرگ‌تر و قوی‌تر از سیگنالی هستند که ما به دنبال کشف آن هستیم. حتی سیگنال رادیوییِ اف‌ام که از هواپیما بازتاب می‌شود و از بالای تلسکوپ می‌گذرد، برای آلوده کردنِ داده‌ها کافی است.»

محققان برای ردیابی این سیگنال، از روش‌های پردازشی بی‌شماری استفاده کرده‌اند تا آن آلاینده‌ها را از بین ببرند. محققان در عین حال، پاسخ‌های فرکانس منحصربه‌فرد خود تلسکوپ را توضیح می‌دهند.

پوبر می‌گوید: «اگر به طول‌موج‌ها یا فرکانس‌های رادیویی مختلف نگاه کنیم، می‌بینیم که تلسکوپ کمی متفاوت رفتار می‌کند. اصلاح پاسخ تلسکوپ به‌منظور جداسازی آلاینده‌های اخترفیزیکی و سیگنال مورد نظر کاملاً مهم و حیاتی است.»

 

آن روش‌های تحلیل داده به همراه ظرفیت گسترده‌ی خود تلسکوپ منجر به حد بالایی از قدرت سیگنالِ EoR شد. تا به امروز این دومین تحلیل متوالی با بهترین حد است که توسط MWA منتشر شده و امید به اینکه این آزمایش روزی سیگنالِ گریزانِ EoR را کشف خواهد کرد، افزایش می‌دهد.

پوبر می‌گوید: «این تحلیل نشان می‌دهد که فاز دوم ارتقاء، تاثیرات مطلوب زیادی داشته و روش‌های این تحلیل جدید باعث بهبود تجزیه و تحلیل‌های آینده می‌شود. این واقعیت که در حال حاضر MWA دو تا از بهترین حدهای سیگنال‌ها را منتشر کرده، به این ایده انگیزه می‌دهد که این آزمایش و رویکرد آن، نویدهای زیادی دارند.»

 

این مقاله در مجله‌ی Astrophysical منتشر خواهد شد.