اولین ستاره‌هایی که در مه‌های «جهان اولیه» دیده می‌شوند: نظرسنجی

گروهی از اخترشناسان روشی را ابداع کرده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد از میان مه‌های کیهان اولیه «دیدن» و نور اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشخیص دهند.

محققان به رهبری دانشگاه کمبریج روشی را توسعه داده اند که به آنها امکان می دهد اولین ستاره ها را از طریق ابرهای هیدروژنی که حدود 378000 سال پس از انفجار بزرگ جهان را پر کرده اند، مشاهده و مطالعه کنند.

رصد تولد اولین ستارگان و کهکشان‌ها هدف اخترشناسان برای دهه‌ها بوده است، زیرا به توضیح چگونگی تکامل جهان از فضای خالی پس از انفجار بزرگ به کره پیچیده اجرام آسمانی که امروزه، ۱۳.۸ میلیارد سال بعد، مشاهده می‌کنیم، کمک می‌کند.

آرایه کیلومتر مربعی (SKA) – یک تلسکوپ نسل بعدی که قرار است تا پایان دهه تکمیل شود – احتمالاً قادر به تصویربرداری از اولین نور در جهان خواهد بود، اما چالش تلسکوپ های فعلی تشخیص سیگنال کیهانی است. ستاره ها از میان ابرهای متراکم هیدروژنی.

انتظار می‌رود سیگنالی که ستاره‌شناسان در تلاش برای تشخیص آن هستند، تقریباً صدها هزار برابر ضعیف‌تر از سیگنال‌های رادیویی دیگر باشد که از آسمان نیز می‌آیند – برای مثال، سیگنال‌های رادیویی که از کهکشان خودمان می‌آیند.

استفاده از تلسکوپ رادیویی به خودی خود منجر به ایجاد اعوجاج در سیگنال دریافتی می شود که می تواند سیگنال کیهانی مورد علاقه را کاملاً پنهان کند. این یک چالش رصدی برجسته در کیهان‌شناسی رادیویی مدرن در نظر گرفته می‌شود. چنین اعوجاج های مرتبط با ابزار معمولاً به عنوان مانع اصلی در این نوع مشاهده سرزنش می شوند.

اکنون تیم تحت رهبری کمبریج روشی را برای مشاهده ابرهای اولیه و سایر سیگنال‌های نویز آسمانی ایجاد کرده است و از تأثیر مخرب اعوجاج‌های معرفی شده توسط تلسکوپ رادیویی جلوگیری می‌کند. روش شناسی آنها که بخشی از آزمایش REACH (آزمایش رادیویی برای تجزیه و تحلیل هیدروژن کیهانی) است، به اخترشناسان این امکان را می دهد که اولین ستارگان را از طریق برهم کنش آنها با ابرهای هیدروژنی رصد کنند، به همان روشی که ما با نگاه کردن به سایه ها، یک منظره را استنباط می کنیم. مه

روش آنها کیفیت و قابلیت اطمینان مشاهدات از تلسکوپ های رادیویی را که به این دوره کلیدی ناشناخته توسعه کیهان نگاه می کنند، بهبود می بخشد. انتظار می رود اولین مشاهدات از REACH در اواخر امسال انجام شود.

نتایج امروز در مجله Nature Astronomy گزارش شده است.

دکتر Eloy de Lera Acedo از آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج، نویسنده ارشد این مقاله، گفت: «در زمان شکل‌گیری اولین ستاره‌ها، جهان عمدتاً خالی بود و بیشتر از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود.

وی افزود: به دلیل گرانش، عناصر در نهایت گرد هم آمدند و شرایط برای همجوشی هسته‌ای فراهم شد که اولین ستاره‌ها را تشکیل داد. اما آنها توسط ابرهایی از به اصطلاح هیدروژن خنثی احاطه شده بودند که نور را به خوبی جذب می کند، بنابراین تشخیص یا مشاهده مستقیم نور پشت ابرها دشوار است.

در سال 2018، یک گروه تحقیقاتی دیگر (مجری آزمایش اکتشاف امضای یونیزه شدن مجدد عصر جهانی – یا EDGES) نتیجه ای را منتشر کرد که به کشف احتمالی این اولین نور اشاره کرد، اما ستاره شناسان نتوانستند نتیجه را تکرار کنند و آنها را به این باور رساند که نتیجه اصلی ممکن است به دلیل تداخل تلسکوپ مورد استفاده باشد.

“نتیجه اولیه نیاز به فیزیک جدید برای توضیح آن دارد، زیرا دمای گاز هیدروژن باید بسیار سردتر از درک فعلی ما از جهان باشد. د لرا آسدو گفت: از طرف دیگر، دمای بالاتر غیرقابل توضیح تشعشع پس زمینه – که معمولاً تصور می شود پس زمینه شناخته شده مایکروویو کیهانی باشد – می تواند علت باشد.

وی افزود: اگر بتوانیم تأیید کنیم که سیگنال شناسایی شده در این آزمایش قبلی واقعاً از اولین ستاره ها است، پیامدهای آن بسیار زیاد خواهد بود.

اخترشناسان برای مطالعه این دوره از رشد کیهان، که اغلب طلوع کیهانی نامیده می‌شود، خط 21 سانتی‌متری را مطالعه می‌کنند، یک نشانه تابش الکترومغناطیسی از هیدروژن در کیهان اولیه. آنها به دنبال یک سیگنال رادیویی هستند که کنتراست بین تابش هیدروژن و تشعشع پشت مه هیدروژنی را اندازه گیری کند.

روش ابداع شده توسط د لرا آسدو و همکارانش از آمار بیزی برای تشخیص یک سیگنال کیهانی در حضور تداخل تلسکوپ و نویز عمومی آسمان استفاده می کند تا سیگنال ها را بتوان جدا کرد.

برای این منظور به تکنیک ها و فناوری های روز در زمینه های مختلف نیاز است.

محققان از شبیه‌سازی‌هایی برای تقلید یک مشاهده واقعی با استفاده از آنتن‌های متعدد استفاده کردند که قابلیت اطمینان داده‌ها را بهبود می‌بخشد – مشاهدات قبلی بر یک آنتن تکیه می‌کردند.

د لرا آسدو گفت: “روش ما به طور مشترک داده‌ها را از چندین آنتن و در پهنای باند وسیع‌تری نسبت به ابزارهای کنونی معادل آنالیز می‌کند. این رویکرد اطلاعات لازم را برای تجزیه و تحلیل داده‌های بیزی به ما می‌دهد.”

وی افزود: «ما اساساً استراتژی‌های طراحی سنتی را فراموش کردیم و به جای آن بر طراحی تلسکوپ مناسب برای روشی که قصد داریم داده‌ها را تجزیه و تحلیل کنیم متمرکز شدیم – نوعی طراحی معکوس. این می تواند به ما کمک کند چیزها را از طلوع کیهانی تا عصر یونیزاسیون مجدد، زمانی که هیدروژن در جهان دوباره یونیزه شد، اندازه گیری کنیم.

ساخت این تلسکوپ در حال حاضر در ذخیره‌گاه رادیویی Karoo در آفریقای جنوبی در حال نهایی شدن است، مکانی که به دلیل شرایط عالی برای رصد آسمان رادیویی انتخاب شده است. از تداخل فرکانس رادیویی ساخته دست بشر مانند سیگنال های تلویزیون و رادیو FM دور است.

تیم REACH متشکل از بیش از 30 محقق چند رشته ای و در سطح جهانی توزیع شده است و متخصصانی در زمینه هایی مانند کیهان شناسی نظری و رصدی، طراحی آنتن، ابزار دقیق فرکانس رادیویی، مدل سازی عددی، پردازش عددی، داده های بزرگ و آمار بیزی دارند. REACH توسط دانشگاه Stellenbosch در آفریقای جنوبی رهبری می شود.

پروفسور دو ویلیرز، یکی از رهبران پروژه در دانشگاه استلنبوش در آفریقای جنوبی، گفت: “اگرچه فناوری آنتن مورد استفاده برای این ابزار بسیار ساده است، محیط سخت و راه دور و تحمل‌های سخت تولیدی مورد نیاز، این را بسیار چالش برانگیز کرده است. پروژه ای که باید روی آن کار کرد.”

وی افزود: ما بسیار هیجان زده هستیم که ببینیم این سیستم چقدر خوب عمل خواهد کرد و کاملاً مطمئن هستیم که به این کشف دست نیافتنی دست خواهیم یافت.