Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một bước mới và quan trọng trong việc phát hiện tín hiệu từ thời kỳ những ngôi sao đầu tiên thắp sáng vũ trụ trong lịch sử.
Khoảng 12 tỷ năm trước, vũ trụ nổi lên từ một thời kỳ đen tối vũ trụ vĩ đại khi những ngôi sao và thiên hà đầu tiên sáng lên. Với một phân tích mới về dữ liệu được thu thập bởi kính viễn vọng vô tuyến Murchison Widefield Array (MWA), các nhà khoa học giờ đây đã gần hơn bao giờ hết để phát hiện chữ ký siêu mờ của bước ngoặt này trong lịch sử vũ trụ.
Trong một bài báo trên trang in sẵn ArXiv và sắp được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn , các nhà nghiên cứu đã trình bày phân tích dữ liệu đầu tiên từ một cấu hình mới của MWA được thiết kế đặc biệt để tìm kiếm tín hiệu của hydro trung tính, khí thống trị vũ trụ trong suốt thời đại vũ trụ đen tối. Phân tích đặt ra một giới hạn mới – giới hạn thấp nhất – cho cường độ của tín hiệu hydro trung tính.
Các nhà khoa học đã có thể tự tin nói rằng nếu tín hiệu hydro trung tính mạnh hơn giới hạn họ đặt ra trong bài báo thì kính viễn vọng sẽ phát hiện ra nó. Những phát hiện này có thể giúp chúng ta hạn chế hơn nữa thời điểm khi thời kỳ đen tối của vũ trụ kết thúc và những ngôi sao đầu tiên xuất hiện.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Wenyang Li, người thực hiện công việc như một tiến sĩ. sinh viên tại Brown. Li và Pober hợp tác với một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế làm việc với MWA.
Mặc dù có tầm quan trọng trong lịch sử vũ trụ nhưng ít ai biết về thời kỳ các ngôi sao đầu tiên hình thành, được gọi là Kỷ nguyên tái sinh (EoR). Các nguyên tử đầu tiên hình thành sau Vụ nổ lớn là các ion hydro tích điện dương – các nguyên tử có electron bị tước đi bởi năng lượng của vũ trụ trẻ sơ sinh. Khi vũ trụ nguội đi và giãn nở, các nguyên tử hydro đã hợp nhất với các electron của chúng để tạo thành hydro trung tính. Và đó chỉ là tất cả những gì có trong vũ trụ cho đến khoảng 12 tỷ năm trước khi các nguyên tử bắt đầu tụ lại với nhau để tạo thành các ngôi sao và thiên hà. Ánh sáng từ những vật thể đó đã ion hóa lại hydro trung tính khiến chúng biến mất phần lớn từ không gian giữa các vì sao.
Mục tiêu của các dự án như dự án đang diễn ra tại MWA là xác định tín hiệu của hydro trung tính từ thời kỳ đen tối và đo lường sự thay đổi của nó khi EoR mở ra. Làm như vậy có thể tiết lộ thông tin mới và quan trọng về các ngôi sao đầu tiên – các khối xây dựng của vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng bắt được bất kỳ cái nhìn thoáng qua về tín hiệu 12 tỷ năm tuổi này là một nhiệm vụ khó khăn đòi hỏi các công cụ có độ nhạy tinh tế.
Khi nó bắt đầu hoạt động vào năm 2013, MWA là một dải gồm 2.048 ăng-ten radio được bố trí trên khắp vùng quê hẻo lánh ở Tây Úc. Các ăng ten được bó lại với nhau thành 128 “gạch”, có tín hiệu được kết hợp bởi một siêu máy tính gọi là Correlator. Năm 2016, số lượng gạch đã tăng gấp đôi lên 256 và cấu hình của chúng trên toàn cảnh đã được thay đổi để cải thiện độ nhạy của chúng đối với tín hiệu hydro trung tính. Bài báo mới này là phân tích đầu tiên của dữ liệu từ mảng mở rộng.
Hydro trung tính phát ra bức xạ ở bước sóng 21 cm. Khi vũ trụ đã mở rộng trong 12 tỷ năm qua, tín hiệu từ EoR hiện kéo dài đến khoảng 2 mét, và đó là điều mà các nhà thiên văn học của MWA đang tìm kiếm. Vấn đề là có vô số nguồn khác phát ra ở cùng bước sóng – các nguồn nhân tạo như truyền hình kỹ thuật số cũng như các nguồn tự nhiên từ bên trong Dải Ngân hà và từ hàng triệu thiên hà khác.
Tất cả các nguồn khác này đều có nhiều bậc mạnh hơn tín hiệu mà các nhà thiên văn học đang cố gắng phát hiện. Ngay cả tín hiệu vô tuyến FM phản xạ từ một chiếc máy bay tình cờ đi qua kính viễn vọng cũng đủ làm nhiễm bẩn dữ liệu.
Để xử lý tín hiệu, các nhà nghiên cứu sử dụng vô số kỹ thuật xử lý để loại bỏ các chất gây ô nhiễm đó. Đồng thời, chúng chiếm các đáp ứng tần số duy nhất của chính kính thiên văn.
Nếu chúng ta nhìn vào các tần số vô tuyến hoặc bước sóng khác nhau, kính thiên văn hành xử hơi khác một chút. Sửa lỗi cho phản ứng của kính viễn vọng là cực kỳ quan trọng để thực hiện việc phân tách các chất gây ô nhiễm thiên văn và tín hiệu đáng quan tâm.
Những kỹ thuật phân tích dữ liệu đó kết hợp với khả năng mở rộng của chính kính thiên văn đã dẫn đến giới hạn trên mới của cường độ tín hiệu EoR. Đây là phân tích giới hạn tốt nhất thứ hai liên tiếp được phát hành bởi MWA và làm tăng hy vọng rằng một ngày nào đó thử nghiệm sẽ phát hiện ra tín hiệu EoR khó nắm bắt.
Phân tích này chứng minh rằng việc nâng cấp giai đoạn hai có rất nhiều hiệu ứng mong muốn và các kỹ thuật phân tích mới sẽ cải thiện các phân tích trong tương lai. Việc MWA hiện đã công bố ngược lại hai giới hạn tốt nhất về tín hiệu mang lại động lực cho ý tưởng rằng thí nghiệm này và cách tiếp cận của nó có rất nhiều hứa hẹn.
Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (cấp # 1613040). MWA nhận được hỗ trợ từ chính phủ Úc và thừa nhận người dân Wajarri Yamatji là chủ sở hữu truyền thống của khu vực đài quan sát.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Brown . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :