Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Το καναδικό πείραμα CHIME ανίχνευσε για πρώτη φορά την εξαιρετικά αμυδρή ραδιοφωνική λάμψη του αερίου υδρογόνου από το μακρινό σύμπαν, ένα σήμα ηλικίας 9 δισ. ετών.
- Αυτή η ανακάλυψη προσφέρει έναν ταχύτερο και λιγότερο δαπανηρό τρόπο για τη διερεύνηση της σκοτεινής ενέργειας, του μυστηριώδους φαινομένου που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος.
- Η μέτρηση αυτή μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να ελέγξουν τα μοντέλα σχηματισμού των γαλαξιών και να κατανοήσουν καλύτερα πώς οργανώθηκε η ύλη σε ολόκληρο το σύμπαν.
Τι σχέση μπορεί να έχει το πιο άφθονο στοιχείο του Σύμπαντος με το μεγαλύτερο μυστήριο της κοσμολογίας; Η απάντηση κρύβεται σε ένα αμυδρό «σήμα» από το βαθύ παρελθόν.
Για πρώτη φορά, το καναδικό πείραμα CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) απέδειξε ότι μπορεί να ανιχνεύσει την εξαιρετικά αμυδρή ραδιοφωνική λάμψη του αερίου υδρογόνου από το μακρινό σύμπαν, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά και μόνο τις δικές του παρατηρήσεις.
Το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να προσφέρει στους επιστήμονες έναν ταχύτερο και λιγότερο δαπανηρό τρόπο για να διερευνήσουν τη σκοτεινή ενέργεια -το ακόμα μυστηριώδες φαινόμενο που πιστεύεται ότι επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος. Η κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής.
Η επιτυχία αυτή αποτελεί επίσης ένα σημαντικό ορόσημο για το CHIME, το οποίο σχεδιάστηκε αρχικά με γνώμονα αυτού του είδους τις μετρήσεις. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal.
«Το υδρογόνο είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν και η πρώτη ύλη από την οποία σχηματίζονται τα αστέρια», δήλωσε ο συγγραφέας Δρ. Arnab Chakraborty, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ο οποίος αναφέρθηκε πρώτος στο εύρημα.
«Η αμυδρή ραδιοφωνική του εκπομπή λειτουργεί σαν ένας κοσμικός ανιχνευτής, αποκαλύπτοντας πώς είναι κατανεμημένη η ύλη στο διάστημα». Οι επιστήμονες έχουν προτείνει ανταγωνιστικές εξηγήσεις για τη φύση της σκοτεινής ενέργειας.
Επειδή το CHIME μπορεί πλέον να πραγματοποιεί αυτές τις μετρήσεις χρησιμοποιώντας τα δικά του δεδομένα, οι ερευνητές μπορούν να ελέγξουν αυτές τις ιδέες ανεξάρτητα και να συλλέξουν στοιχεία που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ή να αμφισβητήσουν τις υπάρχουσες θεωρίες.
«Πρόκειται για μια εντελώς νέα τεχνική για τη διερεύνηση του κόσμου, η οποία προσφέρεται από ένα όργανο που σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και χρηματοδοτήθηκε από Καναδούς», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Δρ. Mark Halpern, καθηγητής στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας του UBC και κύριος ερευνητής του CHIME. «Είναι ένα τολμηρό νέο βήμα στο παγκόσμιο πρόγραμμα κοσμολογίας και μια καναδική ιστορία επιτυχίας».
Χαρτογραφώντας το Σύμπαν με «πυξίδα» το υδρογόνο
Το CHIME είναι ένα ραδιοτηλεσκόπιο που βρίσκεται κοντά στο Πέντικτον της Βρετανικής Κολομβίας και φιλοξενείται από το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας του Καναδά (NRC). Το όργανο αυτό σαρώνει ολόκληρο τον βόρειο ουρανό κάθε μέρα.
Το έργο συγκεντρώνει ερευνητές από ολόκληρο τον Καναδά, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, το Πανεπιστήμιο McGill, το Πανεπιστήμιο του Τορόντο και το Ραδιοαστρονομικό Αστεροσκοπείο Dominion (NRC). Στην προσπάθεια συμμετέχουν επίσης και άλλοι συνεργάτες από τη Βόρεια Αμερική, συμπεριλαμβανομένου του Κρατικού Πανεπιστημίου της Αριζόνα.
Ένας από τους κύριους στόχους του CHIME είναι να χαρτογραφήσει πώς ήταν κατανεμημένο το αέριο υδρογόνο στο πρώιμο σύμπαν. Μετρώντας αυτή τη δομή μεγάλης κλίμακας, οι αστρονόμοι μπορούν να ανακατασκευάσουν τον τρόπο με τον οποίο επεκτάθηκε το σύμπαν με την πάροδο του χρόνου και να χρησιμοποιήσουν αυτές τις μετρήσεις για να διερευνήσουν τη σκοτεινή ενέργεια.
Μέχρι τώρα, οι ερευνητές του CHIME έπρεπε να συγκρίνουν τις ραδιοφωνικές τους παρατηρήσεις με δεδομένα από επισκοπήσεις γαλαξιών που είχαν συλλεχθεί από άλλα τηλεσκόπια. Αυτές οι επισκοπήσεις εξετάζουν παρόμοια κοσμολογικά ερωτήματα παρατηρώντας το φως από τους γαλαξίες με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Ωστόσο, μπορεί να κοστίσουν εκατομμύρια δολάρια περισσότερο και διερευνούν κυρίως περιοχές του σύμπαντος που είναι αρκετά θερμές και πυκνές ώστε να σχηματιστούν αστέρια.
Αντίθετα, το CHIME μετρά τη συνδυασμένη ραδιοφωνική εκπομπή που παράγεται από το ίδιο το υδρογόνο. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να εξετάζουν πολύ μεγαλύτερες περιοχές του σύμπαντος, να φτάνουν πιο μακριά στο παρελθόν και να επιδιώκουν παρόμοια ερωτήματα με ένα κλάσμα του κόστους, χωρίς να εξαρτώνται από δεδομένα άλλων επισκοπήσεων.
Τι αποκαλύπτει το σήμα του υδρογόνου: Ξεκλειδώνοντας τα μυστικά του πρώιμου Σύμπαντος
Σε μια συνοδευτική επιστημονική δημοσίευση, οι ερευνητές ανέλυσαν τι μπορεί να αποκαλύψει το νέο σήμα που ανιχνεύθηκε σχετικά με τον τρόπο που το υδρογόνο ήταν κατανεμημένο σε όλο το σύμπαν.
«Τα δεδομένα μας δείχνουν ότι περίπου το 2% του υδρογόνου στο σύμπαν βρισκόταν σε ουδέτερη ατομική μορφή εκείνη την περίοδο, κάτι που είναι σε γενικές γραμμές σύμφωνο με άλλες μετρήσεις», δήλωσε ο συγγραφέας Δρ. Shabbir Shaikh, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Μετρώντας πώς κατανέμεται και πώς συγκεντρώνεται αυτό το υδρογόνο, το CHIME μάς προσφέρει έναν νέο τρόπο να ελέγξουμε την κατανόησή μας για το πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες».
Συνεπώς, η μέτρηση αυτή προσφέρει κάτι περισσότερο από έναν απλό νέο τρόπο μελέτης της κοσμικής διαστολής. Μπορεί επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να ελέγξουν τα μοντέλα σχηματισμού των γαλαξιών και να κατανοήσουν καλύτερα πώς οργανώθηκε η ύλη σε ολόκληρο το σύμπαν.
Ανασύροντας το «σήμα» μέσα από τον κοσμικό θόρυβο: Μια τεχνολογική πρόκληση
Η ανακάλυψη δεν προέκυψε ως μια ξαφνική, απρόσμενη επιτυχία. Οι ερευνητές έπρεπε να χρησιμοποιήσουν νέες μεθόδους επεξεργασίας και ανάλυσης δεδομένων για να εξαγάγουν το εξαιρετικά ασθενές σήμα υδρογόνου μέσα από πολύ ισχυρότερες πηγές παρεμβολών. Αυτό το υπόβαθρο περιλάμβανε ραδιοφωνικό θόρυβο από το ίδιο το σύμπαν, σήματα που παράγονται από την ανθρώπινη τεχνολογία, ακόμη και επιδράσεις που δημιουργούνταν από το ίδιο το τηλεσκόπιο.
Αφού εντόπισε το πιθανό αποτύπωμα του υδρογόνου, η ομάδα πέρασε περισσότερο από έναν χρόνο κάνοντας δοκιμές για να βεβαιωθεί ότι το αποτέλεσμα ήταν αυθεντικό. Η ανάλυσή τους έδειξε τελικά ότι το σήμα προερχόταν από υδρογόνο στο μακρινό σύμπαν, από μια εποχή που το σύμπαν είχε ηλικία περίπου πέντε δισεκατομμυρίων ετών. Το αποτέλεσμα βασίστηκε σε παρατηρήσεις 94 νυχτών που συλλέχθηκαν το 2019.
«Δουλέψαμε πολύ σκληρά για να πείσουμε τους εαυτούς μας ότι δεν επρόκειτο για λάθος συναγερμό», δήλωσε ο Δρ. Chakraborty. «Μετά από όλες τις δοκιμές, το σήμα παρέμενε εκεί. Αυτό μας έδωσε τη βεβαιότητα ότι βλέπαμε πραγματικό υδρογόνο από το μακρινό σύμπαν».
Επτά χρόνια παρατηρήσεων του CHIME: Ένας «χείμαρρος» δεδομένων που περιμένει να αναλυθεί
Το νέο αυτό αποτέλεσμα βασίζεται σε ένα μικρό μόνο μέρος των πληροφοριών που έχει συγκεντρώσει το CHIME από τότε που άρχισε να λειτουργεί. Οι ερευνητές έχουν πλέον στη διάθεσή τους σχεδόν επτά χρόνια παρατηρήσεων προς ανάλυση.
Αυτή τη στιγμή εργάζονται για να επεκτείνουν την τεχνική ακόμη πιο βαθιά στην κοσμική ιστορία, με στόχο να μελετήσουν μια εποχή που το σύμπαν είχε ηλικία μόλις τριών δισεκατομμυρίων ετών.
«Για πολύ καιρό, οι αστροφυσικοί πίστευαν ότι αυτή η τεχνική χαρτογράφησης του υδρογόνου με αυτού του είδους το τηλεσκόπιο κρύβει τεράστιες δυνατότητες. Δείχνοντας στην πράξη ότι η τεχνική λειτουργεί, ανοίξαμε ένα εντελώς νέο παράθυρο στο σύμπαν. Μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να ελέγξουμε τις τρέχουσες θεωρίες μας και να μάθουμε νέα πράγματα για τους γαλαξίες και άλλες ιδιότητες του σύμπαντος», δήλωσε ο συγγραφέας Δρ. Simon Foreman, επίκουρος καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Αυτό το έργο χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Καινοτομίας του Καναδά, το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας του Καναδά, το Συμβούλιο Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής Έρευνας και τις επαρχίες της Βρετανικής Κολομβίας, του Οντάριο και του Κεμπέκ, ενώ υποστηρίζεται από την Ψηφιακή Συμμαχία Έρευνας του Καναδά.