نالهای بسیار ضعیف از هیدروژن، که در طول میلیاردها سال کشیده شده، توسط MeerKAT از میان نویز رادیویی استخراج شده است. این نوع سیگنال خود را جار نمیزند. نیاز به صبر، تحلیلهای پیچیده و تلسکوپی دارد که حاضر به شنیدن باشد.
گوش دادن به نت طولانی و کم فرکانس کیهان
هیدروژن خنثی امواج رادیویی را در طول موج مشخصی حدود ۲۱ سانتیمتر منتشر میکند. با گسترش فضا، آن امواج طولانیتر میشوند و در طول موجهای بلندتر میرسند. با اندازهگیری آن کشیدگی، میتوان یک ساعت بهدست آورد. با افزودن موقعیت آسمانی میتوان هیدروژن را در سه بعد جایدهی کرد. این ایده ساده زیربنای نگاشت شدت هیدروژن است، تکنیکی که تابش ترکیبی رادیویی بسیاری از کهکشانها را بهعنوان زمینهای با بافت میپذیرد بهجای فهرستسازی هر کهکشان بهصورت جداگانه.
با استفاده از تلسکوپ رادیویی MeerKAT در آفریقای جنوبی، یک تیم بینالمللی موفق شده است چنین سیگنال ضعیفی از هیدروژن را از حدود ۹۶ ساعت مشاهدات آرشیوی استخراج کند. تابشی که آنها اندازهگیری کردند سفرش را چهار تا پنج میلیارد سال پیش آغاز کرده بود. آشکارسازی مستقیم هیدروژن خنثی در این فواصل بدون جفتکردن دادههای رادیویی با رصدهای نوری کهکشانها غیرمعمول است. این کشف آن حساب را تغییر میدهد.
نمای MeerKAT از میدان آسمانی مشاهدهشده. این تصویر رادیویی لکهای از آسمان را نشان میدهد که بهعنوان بخشی از مطالعه با MeerKAT رصد شده است. نقاط روشن کهکشانهای تابشکننده رادیویی و منابع فشرده دیگر هستند که تابششان بسیار قویتر از سیگنال ضعیف هیدروژن است که تیم در تلاش برای اندازهگیریش بود. یکی از چالشهای اصلی نگاشت شدت هیدروژن جدا کردن این سیگنال فوقالعاده ضعیف از تابش پیشزمینه بسیار روشن رادیویی و تداخل ناخواسته است. خود سیگنال هیدروژن در این تصویر با چشم قابل مشاهده نیست؛ بلکه با تحلیل دقیق روی دادههای MeerKAT استخراج شده تا تابش کیهانی هیدروژن را ایزوله کند.
چگونه نجوایی را از درون طوفان بیرون کشیدند
موانعی وجود دارد. منابع رادیویی پیشزمینه، مانند کهکشانهای روشن و گسیلکنندههای فشرده، میتوانند نشان هیدروژن را با چندین مرتبه غلبه کنند. تداخل فرکانسی ساخته شده توسط انسان باندها را آلوده میکند. خود ابزار نیز اثرات ظریف وارد میکند. جدا کردن هیدروژن کیهانی از تمام این عوامل هم مسئلهای دادهای است و هم سختافزاری. تیم مشاهدات ۲۰۱۸ را که قبل از بسیاری از کمپینهای بعدی MeerKAT انجام شده بودند، بررسی کامل کرد و کالیبراسیونها و فیلترینگهای دقیقی را بهکار بست تا سیگنال کیهانی را ایزوله کند.
"هیدروژن خنثی یکی از مواد کلیدی برای درک چگونگی شکلگیری و تکامل کهکشانها است،" دکتر ژائوتینگ چن گفت. "با نگاشت شدت، نیازی به آشکارسازی هر کهکشان جداگانه نداریم. در عوض میتوانیم سیگنال جمعی هیدروژن را در حجمهای کیهانی وسیع اندازهگیری کنیم که راه جدیدی برای مطالعه هم تکامل کهکشانها و هم توزیع ماده در کیهان به ما میدهد."
اندازهگیریها هیدروژن را در مقیاسی دنبال میکنند که با جدایی بین کهکشان راه شیری و آندرومدا قابل مقایسه است. آن مقیاس از نظر کیهانشناختی مفید است زیرا در اندازههایی قرار دارد که ماده تاریک و باریونها ساختارهای بزرگمقیاس را شکل میدهند، جایی که تارها شکل میگیرند و کهکشانها خوشهبندی میکنند. استخراج سیگنال نیازمند مدلسازی پیشزمینهها و رفتار ابزار، حذف دقیق تداخل زمینی و یک رویکرد آماری کمفرض برای جلوگیری از سوگیری نتیجه بود.
چرا این برای کیهانشناسی اهمیت دارد
- کارایی رصد: نگاشت شدت حجمهای کیهانی عظیمی را سریعتر از رصدهایی که هر کهکشان را تفکیک میکنند، اسکن میکند.
- نگاشت ساختار: نقشههای سهبعدی هیدروژن را فراهم میآورد که توزیع ماده و بافت کیهانی را پی میگیرند.
- سوخت کهکشانها: هیدروژن خنثی ماده خام تشکیل ستاره است، بنابراین توزیع آن اطلاعاتی درباره مدلهای تکامل کهکشان فراهم میکند.
"این یک نقطه عطف بسیار هیجانانگیز است،" دکتر سوراب پاول، نویسنده ارشد مطالعه، گفت. "نگاشت شدت هیدروژن مدتها بهعنوان روشی امیدوارکننده برای نقشهبرداری کارآمد از کیهان دیده شده بود، اما سیگنال بسیار ضعیف و دشوار برای جداشدن از تابش پیشزمینه، تداخل فرکانسی ساخت بشر و اثرات ابزار است. آشکارسازی مستقیم آن با MeerKAT نشان میدهد که این تکنیک در حال تبدیل شدن به یک ابزار عملی برای کیهانشناسی است."
مشاهداتی که در این تحلیل استفاده شدند، فرصتطلبانه بودند. آنها زمانی گرفته شدند که MeerKAT تازه عملیات علمی را آغاز کرده بود و بهطور خاص برای نگاشت شدت طراحی نشده بودند. این موضوع نتیجه را دوچندان دلگرمکننده میکند: نشان میدهد آرشیوهای موجود حاوی اطلاعات کیهانی بازیافتپذیر هستند و رصدهای آینده و هدفمند حساسیت و مقیاس را بهبود خواهند داد.
تیم پشت این آشکارسازی؛ از چپ به راست: دکتر ژائوتینگ چن (پژوهشگر در دانشگاه ادینبورگ، دارنده دکترای ۲۰۲۴ از دانشگاه منچستر)، پروفسور ماریو سانتوس (استاد در دانشگاه Western Cape)، دکتر لورا ولز (ریدر در دانشگاه منچستر)، دکتر سوراب پاول (رهبر پروژه و پژوهشگر در دانشگاه منچستر و دانشگاه Western Cape).
دیدگاه کارشناسی
"آنچه این آشکارسازی واقعاً نشان میدهد امکانپذیری است،" میگوید یک اخترفیزیکدان ارشد خیالی، دکتر آتینا بهت، که با این مطالعه وابسته نیست. "میتوانید هیدروژن پراکنده را بهعنوان یک ردیاب بزرگمقیاس در نظر بگیرید و از آن داربست کیهان را استنتاج کنید. گام بعدی ترکیب عمق با گستره است: ادغامهای طولانیتر و پوشش آسمانی وسیعتر ویژگیهایی را که امروز در اثر نویز محو شدهاند، تیزتر خواهد کرد."
دکتر بهت نکتهای عملی اضافه میکند: "کالیبراسیون ابزار همه چیز است. سیستماتیکهای کوچک اگر مراقب نباشید خود را بهعنوان سیگنال کیهانی نشان میدهند. تیمهایی که در این زمینه مهارت یابند غنیترین دانش را از MeerKAT و تلسکوپ مربعی کیلومتر در دهه آتی استخراج خواهند کرد."
پیامدها و گامهای بعدی
MeerKAT پیشران تلسکوپ مربعی کیلومتر است، SKAO، جایی که انتظار میرود نگاشت شدت هیدروژن به برنامه پژوهشی اصلی تبدیل شود. با مشاهدات طولانیتر و استراتژیهای نظرسنجی ویژه، اخترشناسان امیدوارند نقشههای هیدروژن متراکمتری تولید کنند که چندین سوال بزرگ را پاسخ دهند: عرضه گاز که سوخت تشکیل ستاره را تامین میکند چگونه تکامل یافته است؟ ماده تاریک چگونه خود را در بافت کیهانی مرتب میکند؟ آیا این نقشهها میتوانند پارامترهای کیهانشناسی را به روشهایی مکمل رصدهای نوری محدود کنند؟
پروفسور ماریو سانتوس بر چالش و فرصت تاکید کرد: "این یک فرایند تحلیل داده دشوار بود که نیازمند درک دقیق از منابع مختلف آلودگی است که میتوانند بر چنین اندازهگیری ضعیفی اثر بگذارند. بهویژه قابل توجه است که دادههای استفادهشده در این مطالعه در سال ۲۰۱۸ ثبت شدهاند، زمانی که MeerKAT تازه عملیات علمی را آغاز کرده بود. اکنون یک گنجینه غنی از دادههای MeerKAT هست که منتظر کاوش با این روش است."
پروفسور لورا ولز به ارزش گستردهتر این کشف اشاره کرد. "MeerKAT همچنان پنجرههای جدیدی برای کیهانشناسی میگشاید. اینکه این سیگنال را میتوان از مشاهداتی استخراج کرد که در اصل برای نگاشت شدت هیدروژن طراحی نشده بودند بسیار دلگرمکننده است. این نشاندهنده ارزش علمی عظیم دادههای MeerKAT است و راه را برای رصدهای آینده با SKAO نشان میدهد."
نتیجهگیری
این آشکارسازی مستقیم هیدروژن خنثی دوردست نقطه عطفی است. نگاشت شدت هیدروژن را از وعده نظری به عمل قابل اثبات منتقل میکند. مسیر پیش رو فنی و دشوار خواهد بود، اما پاداش بزرگ است: دیدی پُرشکلیتر و سهبعدی از چگونگی قرارگیری ماده، گاز و کهکشانها در طول میلیاردها سال.
"نوشتن درباره علم و فضا برایم یعنی سفر کردن بیپایان در دنیایی که هر روز بزرگتر میشود. سعی میکنم علم را طوری روایت کنم که برای همه جذاب و قابل لمس باشد."
گفتگو
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.