Exploración de materia oscura y las primeras galaxias en simultáneo con un bosque de 21 cm. Fuente: NAOC y NEU
El misterio de la formación de las primeras galaxias del universo es un enigma para los investigadores. La naturaleza de la materia oscura es también uno de los enigmas más importantes que enfrentan los físicos fundamentales. Sin embargo, comprender la naturaleza de la materia oscura -si es fría o cálida, por ejemplo- y su posterior influencia en la formación de las primeras galaxias es un gran desafío.
Ahora, un equipo de investigación conjunto de la Universidad del Noreste (China) y los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia de Ciencias de China (NAOC) ha propuesto utilizar una nueva sonda para tratar de arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura y la formación temprana de galaxias. El estudio del equipo fue publicado en astronomía de la naturaleza 6 de julio.
Una forma de entender la materia oscura es tratar de medir la masa de las partículas de materia oscura mediante observaciones cosmológicas de estructuras a pequeña escala. Pero detectar estructuras a pequeña escala donde nunca se ha producido la formación de estrellas es difícil, especialmente durante el amanecer cósmico. Afortunadamente, el hidrógeno atómico dentro y alrededor de estas oscuras y pequeñas estructuras del amanecer cósmico crea líneas de absorción de 21 centímetros a lo largo de la línea de visión entre la Tierra y las fuentes puntuales de radio de alto corrimiento al rojo. Estas líneas de absorción se conocen colectivamente como el bosque de 21 cm.
La sonda forestal de 21 cm es un concepto teórico que se ha propuesto durante más de 20 años para buscar temperaturas de gases y propiedades potencialmente oscuras de la materia durante el amanecer cósmico. Hasta la fecha, los científicos no han intentado utilizar la sonda debido a numerosos desafíos, incluidas señales muy débiles, la dificultad de identificar fuentes de fondo de alto corrimiento al rojo y la degeneración entre la masa de partículas de materia oscura y el efecto de calentamiento, lo que evitaría la sonda de limitar la masa de partículas o el efecto de calentamiento de las primeras galaxias.
Recientemente, sin embargo, se han descubierto muchos quásares de alto desplazamiento al rojo y ruidoso. Además, el pasado mes de diciembre se inició la construcción del Square Kilometer Array (SKA), una iniciativa internacional para construir el radiotelescopio más grande del mundo. Ambos desarrollos sugieren que el uso de la sonda forestal de 21 cm pronto será factible.
Espectros de potencia 1-D simulados de un bosque de 21 cm. Fuente: Shao et al.
Inspirándose en los análisis de espectro de potencia ampliamente utilizados en las sondas de cosmología, los científicos de NAOC se dieron cuenta de que las relaciones de escala características de las señales causadas por el efecto de materia oscura cálida y el efecto de calentamiento, respectivamente, podrían usarse para extraer estadísticamente características clave para distinguir entre los dos efectos. .
En este estudio, los científicos propusieron una solución estadística novedosa para resolver simultáneamente el problema de la señal débil y el problema de la degeneración midiendo el espectro de potencia unidimensional (1-D) de un bosque de 21 cm. La relación de escala de la señal revelada por la amplitud y la forma del espectro de potencia 1-D hace que la sonda forestal de 21 cm sea un medio viable y eficaz para medir simultáneamente las propiedades de la materia oscura y la historia térmica del universo.
“Al medir el espectro de potencia unidimensional del bosque de 21 cm, no solo podemos hacer que la sonda sea realmente viable al aumentar la sensibilidad, sino que también proporcionamos una forma de distinguir entre los efectos de los modelos de materia oscura cálida y el proceso de calentamiento temprano”. “, dijo Xu Yidong, el autor correspondiente del estudio. “Seremos capaces de matar dos pájaros de un tiro”.
En escenarios donde el calentamiento cósmico no es demasiado severo, la matriz de baja frecuencia SKA Phase 1 podrá limitar de manera efectiva tanto la masa de partículas de materia oscura como la temperatura del gas. En los casos en que el calentamiento cósmico sea más significativo, el uso de múltiples fuentes de radio de fondo durante la Fase 2 de SKA permitirá capacidades de detección sólidas.
El bosque de 21 cm de largo ofrece un medio viable para restringir la materia oscura en rangos de corrimiento al rojo más allá del alcance de otras observaciones. Al medir el nivel de calentamiento, el bosque de 21 cm permite restringir las propiedades espectrales de las primeras galaxias y los primeros agujeros negros para arrojar luz sobre la naturaleza de los primeros objetos brillantes del universo. El uso de la sonda forestal de 21 cm será una forma indispensable de profundizar nuestro conocimiento del universo primitivo y profundizar en los misterios tanto de la materia oscura como de las primeras galaxias.
Dado que el uso de la sonda forestal de 21 cm está estrechamente relacionado con las observaciones de fuentes de radio de fondo de alto corrimiento al rojo, el siguiente paso también será identificar fuentes de radio más brillantes del amanecer cósmico (como cuásares ruidosos y estallidos de rayos gamma) que pueden ser rastreado en la época SKA.
Proporcionado por la Academia de Ciencias de China