یافته‌های اولیه تلسکوپ هرا نوید درک عمیق‌تر طلوع کیهانی را می‌دهد!!

بخشی از آرایه تداخل سنجی رادیویی هرا در صحرای کارو آفریقای جنوبی در طول ساخت و ساز اولیه در سال 2016، به همراه خدمه سایت برای تقریب مقیاس. اعتبار: کاترین رزی

در طول تاریخ، انسان‌ها داستان‌هایی را خلق کرده و به اشتراک گذاشته‌اند که در مورد خلقت ستاره‌ها فکر می‌کنند – آنها چه هستند و اولین ستاره‌ها چگونه به وجود آمدند. اکنون، با نتایج جدید از تلسکوپ هرا، یک تلسکوپ رادیویی واقع در آفریقای جنوبی، دانشمندان MIT یک گام کوچک، اما مهم، به درک آن تاریخ نزدیک‌تر شده‌اند.

محققان هرا به دنبال اولین نشانه‌های تشکیل ستاره و ساختار کهکشان هستند. به طور خاص، دانشمندانی از جمله ژاکلین هویت، پروفسور جولیوس ای. استراتون، پروفسور فیزیک در MIT، در تلاش برای درک آنچه می‌باشند که در دوره‌ای به نام طلوع کیهانی حدود 400 میلیون سال پس از انفجار بزرگ رخ داده است. در اوایل پاییز 2021، هویت نیکلاس چرن، محقق پاپالاردو در فیزیک در مؤسسه اخترفیزیک و تحقیقات فضایی کاولی، MIT و سایر محققان از همکاری بین‌المللی، نتایج مدت‌ها مورد انتظار جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل در طول چهار سال را در مراحل اول نهایی کردند. از ساخت تلسکوپ مطالعه آنها که در 7 فوریه در ژورنال Astrophysical منتشر شد، محدودیت‌های بالایی را در سیگنال‌های رادیویی از هیدروژن کیهانی ارائه می‌کند که نشان‌دهنده شکل‌گیری اولیه ستاره‌ها است و به دانشمندان تصویر واضح‌تری از زمان تشکیل اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها می‌دهد. این یافته‌ها مدل‌های نظری را محدود می‌کند که در مورد منشأ طلوع کیهانی فرضیه می‌دهند.

یافته‌های هرا تا حدی بسیار مهم هستند زیرا در مراحل اولیه توسعه  هرا جمع‌آوری شده‌اند. این تلسکوپ که به‌عنوان مجموعه‌ای از بشقاب‌های رادیویی عمل می‌کند، در حال حاضر تنها در کسری از اندازه نهایی خود قرار دارد – داده‌ها تنها از 39 آنتن از 52 آنتن مستقر هرا جمع‌آوری شده‌اند. در حالت کامل، مجموعا 350 آنتن وجود خواهد داشت. پس از ساخت کامل، هرا به اندازه کافی حساس خواهد بود تا مجموعه داده‌ها و اطلاعات بزرگتری را از فاصله‌ها و زمانهای دورتر جمع آوری کند.

چرن، نویسنده اصلی مقاله می‌گوید: «ما هنوز کارهایی را که می‌توانیم به‌طور کامل انجام نداده‌ایم. “این نتیجه نمایشی از تلسکوپ به عنوان یک موجودیت است. این نمایش اولین گذر در تجزیه و تحلیل داده‌ها است که به نوعی یک چارچوب است، اگر بخواهید، بستری برای همه تحلیل‌های آینده می‌باشد.”

به دنبال سیگنال

برای نگاه کردن به سپیده دم کیهانی، هرا از امواج رادیویی با فرکانس پایین برای شناسایی سیگنالهایی استفاده می‌کند که به راحتی قابل مشاهده نیستند. این تلسکوپ با تلسکوپهای دیگر، مانند تلسکوپ فضایی هابل که ساختارهایی مانند کهکشانها را مشاهده می‌کند که فقط 5 درصد از ماده قابل مشاهده در فضا را تشکیل می‌دهند. 95 درصد دیگر ماده، چیزی است که بین کهکشانها وجود دارد(از جمله هیدروژن با چگالی کم). با هرا، دانشمندان می‌توانند به آنچه نگاه کنند که بین کهکشان‌ها می‌گذرد و از این اطلاعات برای استنباط از آنچه استفاده کنند که کهکشان‌ها انجام می‌دهند که ما نمی‌توانیم مشاهده کنیم و چگونه تشکیل کهکشان بر فضای اطراف آن تأثیر می‌گذارد.

برای درک این دوره از تاریخ کیهان، دانشمندان به دنبال “سیگنال چرخش تلنگری” هستند که به خط 21 سانتی‌متری نیز معروف است که طول موج گاز هیدروژن خنثی است. این سیگنال رادیویی از مواد بین کهکشانی بین کهکشان‌ها می‌آید و با انتشار و/یا جذب اتم‌های هیدروژن تولید می‌شود که از طریق این انتقال منتشر می‌شوند.

“آنچه ما با هرا به آن نگاه می‌کنیم این موارد است: سیگنال چرخش تلنگری در این دوره چگونه به نظر می‌رسد؟” استیو فورلانتو، نظریه‌پرداز اصلی پروژه هرا و دانشیار فیزیک و ستاره‌شناسی در دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس می‌گوید.

او می‌گوید که شناسایی دوره یونیزه شدن مجدد یا زمان مشاهده سیگنال مهم است. “ما می‌خواهیم بدانیم که آیا [سیگنال] در حال جذب است، به این معنی که قبل از اشعه ایکس است، یا در تابش، که بعد از اشعه ایکس است. و سپس می‌خواهیم ببینیم که آیا به دلیل یونیزه شدن مجدد ناپدید می‌شود.”

سیگنال دارای دو امضا یا فرآیند است که می‌توان آنها را ضبط کرد. سیگنال برای اولین بار زمانی تغییر می کند که ستاره‌ها گاز هیدروژن را گرم می‌کنند. بخش دوم، همان چیزی است که هرا تاکنون به دنبال آن بوده است، ناپدید شدن سیگنال 21 سانتی‌متری که زمانی اتفاق می‌افتد که هیدروژن توسط انرژی تولید شده توسط تشکیل ستاره اضافی یونیزه می‌شود. این امضا نشان می‌‌دهد که ستاره‌ها ایجاد شده‌اند.

خط 21 سانتی‌متری از طلوع کیهانی هنوز به طور قطعی شناسایی نشده است. با این حال، نتایج جدید هرا داده‌هایی را در مورد ماهیت سیگنال چرخش تلنگری از زمانی که کیهان 500 میلیون ساله بوده است – حساس‌تر از نتایج قبلی با ضریب 10 ارائه می‌کند.

یک نگاه اول

با این نتایج، تیم هرا توانسته است شواهدی ارائه کند که چندین نظریه احتمالی در مورد تشکیل کهکشانها را رد کند. مهمتر از همه، داده‌ها نشان می‌دهد که باید مکانیزمی برای گرم کردن هیدروژن در فضا وجود داشته باشد، به این معنی که کهکشانها باید سیاهچاله داشته باشند.

فورنالتو می‌گوید: «اگر کهکشانی داشتید که سیاه‌‌چاله نداشت، اساساً می‌توانید آن را رد کنید. “باید گرمایش وجود داشته باشد که در چارچوب این مدل‌ها به این معنی است که باید سیاه‌چاله‌هایی وجود داشته باشد که در نزدیکی آنها اشعه ایکس تولید می‌شود.”

با کمک مالی بنیاد گوردون و بتی مور و بنیاد ملی علوم، هرا با 350 آنتن و با طراحی آنتن جدیدی کار خواهد کرد که به تلسکوپ اجازه می دهد امواج رادیویی با فرکانس پایین‌تر را ضبط کند و نقاط را در جابجایی‌های قرمز بالاتر مشاهده کند و عملاً زمان عقب‌تر را ببیند.

هویت، سرپرست پروژه توسعه ظرفیت سیگنال هرا، از سال 2004 روی این سوال کار کرده است که اولین ستاره‌ها چه زمانی تشکیل شدند. طراحی جدید آنتن، از دانشگاه کمبریج، باید تا اوایل سال 2022 نصب شود و دامنه اطلاعاتی که آنها می‌توانند به دست آورند را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

هویت می‌گوید: «این گسترش به فرکانس‌های پایین‌تر مهم است زیرا ما را به این دوره قبل از اولین ستاره‌ها می‌رساند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

Early findings from HERA telescope promise deeper understanding of the cosmic dawn

by Maria Rose, Massachusetts Institute of Technology FEBRUARY 11, 2022

https://phys.org/news/2022-02-early-hera-telescope-deeper-cosmic.html