حباب‌های یونیزه شده چه می‌توانند دربارهٔ گسترش جهان به ما بگویند؟
نوشتهٔ Nathalie Korhonen Cuestas | Daily Paper Summaries, PRJ | ۰ نظر
عنوان: آزمون آلکاک‑پاسیونکی بر روی حباب‌های بازیونی برای کیهان‌شناسی
نویسندگان: Thélie, E., Del Balso, F., Muñoz, J. B., & Liu, A.
مؤسسهٔ نویسندهٔ اول: بخش ستاره‌شناسی، دانشگاه تگزاس آستین، 2512 Speedway, Austin, TX 7812
وضعیت: منتشر شده در Physical Review D [دسترسی بسته]
یونیزه کردن جهان
در زمان بسیار اولیهٔ جهان، فضای بین کهکشان‌ها پر از هیدروژن و هلیوم خنثی بود که به‌عنوان محیط میان‌کهکشانی (IGM) شناخته می‌شود. نور اولیهٔ کهکشان‌ها به این محیط خنثی نفوذ کرد و به‌تدریج شروع به یونیزه کردن گاز کرد. تنها یک میلیارد سال پس از آغاز جهان، IGM به طور کامل یونیزه شد و فرآیند «بازیونی» به پایان رسید. از آن پس، IGM تا انتهای تاریخ جهان یونیزه باقی مانده است.
همان‌طور که در شکل ۱ می‌بینید، لبهٔ ناحیهٔ یونیزه‌شده ابتدا در نزدیکی بسیار نزدیک به کهکشان آغاز می‌شود (پنل سمت چپ) و به‌تدریج به سمت بیرون گسترش می‌یابد و حبابی از گاز یونیزه‌شده دور هر کهکشان ایجاد می‌کند (پنل دوم از سمت چپ). حباب‌های گاز یونیزه‌شده در نهایت به اندازهٔ کافی بزرگ می‌شوند تا با حباب‌های همسایه همپوشانی کنند (پنل دوم از سمت راست) و هنگامی که تمام حباب‌ها با یکدیگر همپوشانی کنند، جهان به طور کامل بازیونی می‌شود (پنل سمت راست). از شکل می‌توانید مشاهده کنید که اگرچه هر حباب به طور کامل کروی نیست، شکل متوسط آن یک کره است؛ به عبارت دیگر، جهت ویژه‌ای برای بازیونی وجود ندارد. نویسندگان این مقاله از این استدلال هندسی ساده استفاده می‌کنند تا نشان دهند چگونه می‌توان از حباب‌های IGM برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ کیهان‌شناسی جهان بهره برد.
نقشه‌برداری از محیط میان‌کهکشانی
اما پیش از همه، باید درک کنیم که ستاره‌پژوهان چگونه این حباب‌های یونیزه‌شده را با استفاده از روشی به نام توموگرافی IGM مشاهده می‌کنند. هیدروژن خنثی می‌تواند نور با طول‌موج ۲۱ سانتی‌متر را از طریق فرآیندی به نام انتقال اسپین‑فلیپ ساطع کند. این نور پس از عبور از طریق جهان در حال گسترش، طول‌موج خود را کشیده و کمی طولانی‌تر می‌شود؛ هرچه نور از مکان اولیه‌اش دورتر باشد، کشیدگی (یا جابه‌جایی به سمت قرمز) بیشتر است. در نتیجه، ستاره‌پژوهان می‌توانند یک مشاهدۀ دو‑بعدی از آسمان را به نقشهٔ سه‑بعدی هیدروژن خنثی تبدیل کنند. هیدروژن یونیزه‌شده نور ۲۱ سانتی‌متری تولید نمی‌کند، به این معنی که حباب‌های یونیزه‌شده در نقشهٔ ۲۱ سانتی‌متری IGM به‌صورت مناطق تاریک ظاهر می‌شوند.
با این حال، جابه‌جایی به سمت قرمز (z) تنها اطلاعات *نسبتی* در مورد فاصله را به ما می‌دهد. اگر نور از یک ناحیه فضایی نسبت به نور ناحیهٔ دیگری بیشتر به سمت قرمز جابه‌جا شده باشد، می‌دانیم که ناحیهٔ اول دورتر است، اما مقدار دقیق فاصله به سرعت گسترش جهان بستگی دارد. سرعت گسترش جهان توسط پارامتر هابِل، H(z)، توصیف می‌شود. به‌طور مشابه، تبدیل اندازهٔ ظاهری یک حباب یونیزه‌شده در آسمان به اندازهٔ واقعی فیزیکی نیز تحت تأثیر کیهان‌شناسی جهان قرار دارد.
سنجش ابعاد حباب‌ها
شکل ۲ نشان می‌دهد که تبدیل اندازهٔ زاویه‌ای مستقیم‌سنجی‌شده و اختلاف جابه‌جایی به سمت قرمز در سراسر حباب یونیزه‌شده چقدر به کیهان‌شناسی فرضی وابسته است. اگر حباب به طور کامل کروی باشد، تنها مجموعهٔ صحیحی از پارامترهای کیهان‌شناسی می‌تواند شکل کروی حباب را حفظ کند؛ فرضیات نادرست دربارهٔ کیهان‌شناسی جهان منجر به حبابی بیضوی می‌شود.
یک حباب به ندرت به طور کامل کروی است، بنابراین نمی‌توانیم تنها به یک اندازه‌گیری از یک حباب برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ کیهان‌شناسی تکیه کنیم. اما از آن‌جا که حباب‌ها به طور متوسط باید به شکل کره درآیند، نویسندگان این مقاله استدلال می‌کنند که مطالعات آیندهٔ انتشار ۲۱ سانتی‌متری می‌توانند مشاهدات حباب‌ها را به‌صورت پشته‌سازی ترکیب کرده و یک مشاهدهٔ متوسط به دست آورند که به‌عنوان آزمونی برای کیهان‌شناسی به کار رود. این روش به عنوان آزمون آلکاک‑پاسیونکی شناخته می‌شود.
نویسندگان از شبیه‌سازی 21cmFAST برای ساخت مشاهدات ساختگی انتشار ۲۱ سانتی‌متری استفاده می‌کنند. اگرچه تجهیزات تلسکوپی کنونی هنوز قادر به تولید نقشه‌های چنین دقیق نیستند، این‌گونه تداخل‌سازهای رادیویی نظیر آرایهٔ کیلومتری مربع (SKA) احتمالاً در چند سال آینده می‌توانند نقشه‌های جزئیات‌دار ۲۱ سانتی‌متری تهیه کنند؛ بنابراین نویسندگان از داده‌های شبیه‌سازی‌شده برای نشان دادن نحوهٔ اعمال آزمون پیشنهادی خود در آینده بهره می‌برند. داده‌های شبیه‌سازی‌شده شامل انتشار از نواحی هیدروژن خنثی هستند که نسبت به IGM خنثی به‌مراتب نزدیک‌تر به ما قرار دارند. در نتیجه، نور این منابع پیش‌زمینه بسیار روشن‌تر از سیگنال IGM است و استخراج دقیق سیگنال ضعیف IGM پس از حذف این نواحی دشوار می‌شود. برای استخراج چگالی هیدروژن خنثی در IGM، نویسندگان از یک شبکهٔ عصبی استفاده می‌کنند.
نویسندگان سپس حباب‌ها را پشته‌سازی می‌کنند و فرضیات کیهان‌شناسی مختلفی (سطرهای مختلف شکل ۳) را برای تبدیل جابه‌جایی به سمت قرمز و اندازه‌های زاویه‌ای به اندازه‌های فیزیکی اعمال می‌نمایند. این کار را با استفاده از سه روش مختلف استخراج حباب انجام می‌دهند: یکی مستقیماً از IGM شبیه‌سازی‌شده گرفته می‌شود (ستون چپ شکل ۳ – حقیقت پایه)، دیگری منابع پیش‌زمینه را حذف کرده و با به‌کارگیری یک شبکهٔ عصبی حباب‌ها را بازیابی می‌کند (ستون میانی)، و سومین روش نویز مشاهداتی و منابع پیش‌زمینه را به IGM شبیه‌سازی‌شده اضافه می‌کند و همان شبکهٔ عصبی را برای بازیابی حباب‌ها استفاده می‌نماید (ستون راست). ستون راست بیشترین تطابق را با آنچه انتظار می‌رود در مشاهدات واقعی داشته باشد نشان می‌دهد و دو ستون دیگر به‌عنوان یک اعتبارسنجی مناسب عمل می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که پیش‌زمینه و نویز، تعصبی در نتایج وارد نکرده‌اند.
در شکل ۳ می‌توانید ببینید که اندازه‌های فیزیکی حباب‌ها بیشترین تطابق را با یک دایرهٔ کامل (خطوط نقطه‌دار آبی) در سطر پایین نشان می‌دهند. این همان نقطه‌ای است که کیهان‌شناسی فرضی بهترین مطابقت را با پارامترهای کیهان‌شناسی استفاده‌شده برای ساخت نقشهٔ IGM دارد. طبیعتاً، هنگامی که ستاره‌پژوهان این روش را بر داده‌های واقعی اعمال می‌کنند، ما نمی‌دانیم کیهان‌شناسی «واقعی» چیست، اما با استفاده از آزمون‌های chi‑squared، نویسندگان نشان می‌دهند که سطر پایین به‌صورت آماری مطابقت به‌مراتب بهتری نسبت به دیگر مجموعه‌های پارامترهای کیهان‌شناسی دارد. در واقع، نویسندگان پیش‌بینی می‌کنند که پشته‌سازی حباب‌ها قادر خواهد بود حاصلضرب دو پارامتر کلیدی کیهان‌شناسی، پارامتر هابِل و تبدیل اندازهٔ زاویه‌ای به اندازهٔ فیزیکی را با دقت ۲٪ محدود کند.
پشته‌سازی حباب‌های مشاهده‌شده در نقشه‌های ۲۱ سانتی‌متری می‌تواند به ستاره‌پژوهان ابزار واقعی برای درک کیهان‌شناسی جهان بدهد. مقایسهٔ نتایج این تحلیل با سایر اندازه‌گیری‌های مستقل پارامترهای کیهان‌شناسی، هرگونه تنش بین روش‌ها را روشن می‌سازد و در نهایت منجر به فهمی مستحکم‌تر از کیهان‌شناسی می‌شود.
Astrobite ویرایش شده توسط Alexandra Masegian
اعتبار تصویر شاخص: Jingchuan Yu, Beijing Planetarium