سیگنالی ۹ میلیارد ساله می‌تواند به توضیح انرژی تاریک کمک کند

این نتیجه می‌تواند به دانشمندان راهی سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر برای بررسی انرژی تاریک، پدیده‌ای مرموز که تصور می‌شود باعث تسریع انبساط جهان می‌شود، ارائه دهد. درک انرژی تاریک یکی از بزرگترین مسائل حل‌نشده در فیزیک مدرن باقی مانده است. این دستاورد همچنین یک نقطه عطف مهم برای CHIME است که در اصل با هدف این نوع اندازه‌گیری طراحی شده بود. یافته‌ها در The Astrophysical Journal منتشر شده است.

"هیدروژن رایج‌ترین عنصر در جهان و ماده خام تشکیل ستاره‌ها است،" گفت دکتر آرنب چاکرابورتی، همکار پسادکتری در دانشگاه تورنتو که اولین بار این یافته را پیشنهاد داد. "انتشار رادیویی ضعیف آن مانند ردیاب کیهانی عمل می‌کند و نحوه توزیع ماده در فضا را نشان می‌دهد."

دانشمندان توضیحات متفاوتی برای ماهیت انرژی تاریک ارائه کرده‌اند. از آنجایی که CHIME اکنون می‌تواند این اندازه‌گیری‌ها را با استفاده از داده‌های خود انجام دهد، محققان می‌توانند این ایده‌ها را به طور مستقل آزمایش کرده و شواهدی جمع‌آوری کنند که می‌تواند از تئوری‌های موجود پشتیبانی یا به چالش بکشد.

"این یک تکنیک کاملاً جدید برای بررسی جهان است که توسط ابزاری ارائه شده است که توسط کانادایی‌ها تصور، ساخته و تأمین مالی شده است،" گفت دکتر مارک هالپرن، استاد دپارتمان فیزیک و نجوم UBC و محقق اصلی CHIME. "این یک گام جسورانه جدید در برنامه جهانی کیهان‌شناسی و یک داستان موفقیت کانادایی است."

نقشه‌برداری از جهان با هیدروژن

CHIME یک تلسکوپ رادیویی واقع در نزدیکی پنتیکتون، بریتیش کلمبیا است و توسط شورای تحقیقات ملی کانادا (NRC) میزبانی می‌شود. این ابزار هر روز کل آسمان شمالی را بررسی می‌کند.

این پروژه محققانی را از سراسر کانادا گرد هم می‌آورد، از جمله دانشمندان دانشگاه بریتیش کلمبیا، دانشگاه مک‌گیل، دانشگاه تورنتو و رصدخانه رادیویی دامینیون (NRC). همکاران آمریکای شمالی دیگر، از جمله دانشگاه ایالتی آریزونا، نیز در این تلاش شرکت دارند.

یکی از اهداف اصلی CHIME ترسیم نحوه توزیع گاز هیدروژن در جهان اولیه است. با اندازه‌گیری این ساختار در مقیاس بزرگ، ستاره‌شناسان می‌توانند نحوه انبساط جهان در طول زمان را بازسازی کرده و از این اندازه‌گیری‌ها برای بررسی انرژی تاریک استفاده کنند.

تا به امروز، محققان CHIME نیاز داشتند مشاهدات رادیویی خود را با داده‌های نظرسنجی کهکشانی جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ‌های دیگر مقایسه کنند. این نظرسنجی‌ها به سؤالات کیهان‌شناسی مشابهی با مشاهده نور کهکشان‌ها با جزئیات بیشتر می‌پردازند. با این حال، آنها می‌توانند میلیون‌ها دلار بیشتر هزینه داشته باشند و عمدتاً مناطق جهان را بررسی کنند که به اندازه کافی گرم و متراکم هستند تا ستاره‌ها تشکیل شوند.

CHIME در عوض، انتشار رادیویی ترکیبی تولید شده توسط خود هیدروژن را اندازه‌گیری می‌کند. این رویکرد به محققان اجازه می‌دهد تا مناطق بزرگتری از جهان را بررسی کنند، به عقب‌تر در زمان برگردند و سؤالات مشابه را با کسری از هزینه، بدون تکیه بر داده‌های سایر نظرسنجی‌ها، دنبال کنند.

آنچه سیگنال هیدروژن نشان می‌دهد

در یک مقاله همراه، محققان تجزیه و تحلیل کردند که سیگنال تازه شناسایی‌شده چه چیزی را در مورد نحوه توزیع هیدروژن در سراسر جهان به دانشمندان می‌گوید.

"داده‌های ما نشان می‌دهد که تقریباً 2 درصد از هیدروژن در جهان در این زمان به شکل اتمی خنثی بوده است که به طور کلی با سایر اندازه‌گیری‌ها سازگار است،" گفت دکتر شبیر شیخ، همکار پسادکتری در دانشگاه ایالتی آریزونا. "با اندازه‌گیری نحوه توزیع و خوشه‌بندی هیدروژن، CHIME راه جدیدی را برای آزمایش درک ما از نحوه تشکیل و تکامل کهکشان‌ها ارائه می‌دهد."

بنابراین، این اندازه‌گیری چیزی بیش از یک راه جدید برای مطالعه انبساط کیهانی ارائه می‌دهد. همچنین می‌تواند به محققان در آزمایش مدل‌های تشکیل کهکشان و درک بهتر نحوه سازماندهی ماده در سراسر جهان کمک کند.

یافتن سیگنالی دفن شده در نویز کیهانی

این کشف به عنوان یک پیشرفت ناگهانی رخ نداد. محققان مجبور شدند از روش‌های جدید پردازش و تجزیه و تحلیل داده‌ها برای استخراج سیگنال هیدروژن بسیار ضعیف از منابع قوی‌تر تداخل استفاده کنند.

این پس‌زمینه شامل نویز رادیویی از خود جهان، سیگنال‌های تولید شده توسط فناوری انسان و حتی اثراتی بود که توسط تلسکوپ ایجاد شده بود. پس از شناسایی امضای هیدروژن احتمالی، این تیم بیش از یک سال را صرف آزمایش آن کرد تا مطمئن شود که نتیجه واقعی است.

تجزیه و تحلیل نهایی آنها نشان داد که سیگنال از هیدروژن در جهان دوردست در زمانی که جهان حدود پنج میلیارد سال سن داشت، می‌آید. این نتیجه بر اساس 94 شب مشاهدات جمع‌آوری‌شده در سال 2019 است.

"ما بسیار سخت تلاش کردیم تا خود را متقاعد کنیم که این یک هشدار نادرست نیست،" گفت دکتر چاکرابورتی. "پس از تمام آزمایش‌ها، سیگنال باقی ماند. این به ما اعتماد به نفس داد که هیدروژن واقعی از جهان دوردست را می‌بینیم."

هفت سال مشاهدات CHIME باقی مانده است

نتیجه جدید تنها بر اساس بخش کوچکی از اطلاعاتی است که CHIME از زمان شروع به کار جمع‌آوری کرده است.

محققان اکنون تقریباً هفت سال داده برای تجزیه و تحلیل در اختیار دارند. آنها در حال کار بر روی گسترش این تکنیک به عقب‌تر در تاریخ کیهانی هستند، با هدف مطالعه دوره‌ای که در آن جهان تنها سه میلیارد سال سن داشت.

"برای مدت طولانی، اخترفیزیکدانان معتقد بوده‌اند که پتانسیل زیادی در این تکنیک نقشه‌برداری هیدروژن با این نوع تلسکوپ وجود دارد. با نشان دادن عملی بودن این تکنیک، ما دریچه جدیدی را به جهان باز کرده‌ایم. ما می‌توانیم از آن برای آزمایش تئوری‌های فعلی خود و یادگیری چیزهای جدیدی در مورد کهکشان‌ها و سایر ویژگی‌های جهان استفاده کنیم،" گفت دکتر سیمون فورمن، استادیار دانشگاه ایالتی آریزونا.

این پروژه توسط بنیاد نوآوری کانادا، شورای تحقیقات ملی کانادا، شورای تحقیقات علوم و مهندسی طبیعی و استان‌های بریتیش کلمبیا، انتاریو و کبک تأمین مالی می‌شود و توسط اتحاد تحقیقات دیجیتال کانادا پشتیبانی می‌شود.