Un experimento para explorar las consecuencias del amanecer cósmico, cuando las estrellas y las galaxias primeras iluminaron el universo, ha recibido cerca de $ 10 millones en fondos de la Fundación Nacional de Ciencia para ampliar su red de detectores en Sudáfrica.
La matriz HERA en África del Sur, integrada por 19 platos el 7 de marzo de 2016, pero sigue creciendo, en sustitución de un experimento anterior llamado PAPEL (pequeños platos en el fondo). Crédito: HERA equipo.
El experimento, una colaboración internacional llamada Época de hidrógeno Reionización Array, o HERA , actualmente cuenta con 19 de 14 metros (42 pies) antenas de radio dirigidos a los cielos del sur, cerca de Carnarvon, África del Sur, y pronto hasta que a 37.
Los $ 9.5 millones en nueva financiación permitirá a la matriz ampliar a 240 antenas de radio en 2018.
Dirigido por la Universidad de California, Berkeley, HERA explorará el período de millones de años después del gas de hidrógeno se desplomó en las primeras estrellas, tal vez 100 millones de años después del Big Bang, a través de la ignición de las estrellas y galaxias a través del universo.
Estos primeros objetos brillantes inundaron el universo con luz ultravioleta que ioniza dividido o todos los átomos de hidrógeno entre las galaxias en protones y electrones para crear el universo que vemos hoy en día.
"Las primeras galaxias se iluminaron y empezaron ionizante burbujas de gas a su alrededor, y pronto empezaron a estas burbujas se filtra y se cruzan y hacer burbujas más y más grandes", dijo Aaron Parsons, profesor asociado de la Universidad de Berkeley de la astronomía y el investigador principal de HERA.
"Con el tiempo, todos ellos se cruzaron y tienes esta burbuja über, dejando el universo como lo observamos hoy: entre galaxias el gas es esencialmente todo ionizado."
Esa es la teoría, de todos modos. HERA espera por primera vez para observar este hito clave cósmica y luego trazar la evolución de la reionización a cerca de 1 millones de años después del Big Bang.
"Hemos apoyado un montón acerca de la cosmología de nuestro universo a partir de estudios de la radiación cósmica de fondo, pero esos experimentos están observando simplemente la cáscara fina de la luz que se emite desde un montón de protones y electrones que finalmente se combinan en hidrógeno neutro 380.000 años después el Big bang ", dijo. "Sabemos a partir de estos experimentos que el universo comenzó hacia fuera neutral, y sabemos que terminó ionizado, y estamos tratando de planear la forma en que la transición entre los dos."
"Antes del amanecer cósmico, el universo brillaba desde el microondas radiación cósmica de fondo, pero no había estrellas que iluminan el universo", dijo David De Boer, un astrónomo de la investigación en el Laboratorio de Radioastronomía de la Universidad de Berkeley. "En algún momento el hidrógeno neutro sembró las estrellas y los agujeros negros y galaxias que volvió a encender el universo y la llevaron a la época de la reionización."
Una línea de tiempo cósmica 13,8 mil millones de años indica la era poco después del Big Bang observado por el satélite Planck, la era de las primeras estrellas y galaxias observadas por HERA y la era de la evolución de las galaxias a ser observado por el futuro de la NASA telescopio espacial James Webb. Crédito: HERA
La matriz HERA, que eventualmente podría ampliar a 350 telescopios, se compone de platos de radio mirando fijamente hacia arriba, la radiación emitida originalmente en una longitud de onda de 21 centímetros de medición - la transición hiperfina en el átomo de hidrógeno - que ha sido desplazada al rojo por un factor de 10 o más desde que fue emitida hace unos 13 millones de años.
Los investigadores esperan detectar los límites entre las burbujas de hidrógeno ionizado - invisible para HERA - y el hidrógeno neutro o atómica circundante.
Al sintonizar el receptor a diferentes longitudes de onda, se pueden mapear los límites de la burbuja a diferentes distancias o desplazamientos al rojo para visualizar la evolución de las burbujas en el tiempo.
"HERA también nos puede decir mucho acerca de cómo se forman las galaxias", dijo Parsons. "Las galaxias son organismos muy complejos que se alimentan sobre sí mismas, que regulan su propia formación de las estrellas y el gas que cae en ellos, y que realmente no entienden cómo viven, especialmente en este momento temprano cuando fluye el gas de hidrógeno termina como estructuras complejas con los brazos en espiral y los agujeros negros en el centro. la época de la reionización es un puente entre la cosmología que podemos calcular teóricamente a partir de primeros principios y la astrofísica que observamos hoy y tratar de entender ".
Los socios de la Universidad de California en Berkeley en HERA son la Universidad de Washington, UCLA, Universidad del Estado de Arizona, el Observatorio Nacional de Radio Astronomía, la Universidad de Pensilvania, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Brown, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, la matriz de kilómetro cuadrado Sudáfrica y la Escuela Normal Superior de Pisa, Italia.
Otros colaboradores son el Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica en Cambridge, Massachusetts, la Universidad de KwaZulu Natal, la Universidad de Western Cape y la Universidad de Rhodes, todos en África del Sur, y de la Universidad Politécnica del Estado de California en Pomona.
"Los astrónomos quieren saber qué pasó con el universo después de que salió de sus llamados 'edad oscura'," dijo Rich Barvainis, director del programa de la National Science Foundation que financia HERA. "HERA nos ayudará a responder a esta pregunta, no mediante el estudio de las estrellas primordiales y las propias galaxias, sino más bien mediante el estudio de cómo estos objetos cambian la naturaleza del espacio intergaláctico."
La búsqueda de una luciérnaga en un foco de búsqueda
La clave para detectar estas burbujas de gas ionizado se filtre desde la época de la reionización es un receptor que puede detectar señales de radio de hidrógeno neutro de un millón de veces más débil que el ruido de radio cercana.
"El ruido de primer plano, sobre todo de emisión sincrotrón de electrones en espiral en los campos magnéticos en nuestra propia galaxia, es un millón de veces más fuerte que la señal", dijo De Boer. "Este es un problema real, porque es como buscar una luciérnaga en frente de una increíblemente potente reflector. Estamos tratando de ver la luciérnaga y filtrar el reflector."
Los experimentos previos, tales como la matriz de precisión dirigido por la UC Berkeley Sondeo de la época de la Reionización (PAPEL) en África del Sur y la matriz de Murchison Widefield (MWA) en Australia, no han sido lo suficientemente sensible como para detectar esta señal, pero con platos más grandes y mejor procesamiento de señales, HERA debe hacer el truco.
"HERA es una nueva generación de edificio único, instrumento sobre el patrimonio de papel", dijo Parsons, que ayudó a construir PAPEL hace una década, cuando era un estudiante graduado que trabaja con el fallecido astrónomo Donald Backer la Universidad de Berkeley. "Es en el mismo sitio como el papel, estamos utilizando una gran parte del mismo equipo, pero lo importante es que hemos reunido a muchos más colaboradores, incluyendo una gran parte del equipo de Estados Unidos que ha estado trabajando con la AMO."
La estrategia es construir una matriz hexagonal de platos de radio que minimiza el ruido, como reflexiones de radio en los platos y los cables, que oscurecer la señal. El valor de un superordenador de matrices de puertas programables cruzará-correlacionar las señales de las antenas para mapear finamente una franja de 10 grados del cielo del sur con centro en menos-30 grados de latitud.Usando una técnica adoptada a partir de papel, van a emplear esta capacidad de procesamiento para eliminar el ruido que varía lentamente en todo el espectro de longitudes de onda - 150-350 centímetros - para revelar la señal de variación rápida del hidrógeno neutro, ya que sintonizar a través del espectro de radio.
Los astrónomos ya han descubierto indicios de la reionización, dijo Parsons. Las mediciones de la polarización de la cósmico de radiación de fondo de microondas muestran que algunos de los fotones emitidos en ese momento temprano en el universo han sido dispersada por los electrones que interviene posiblemente creadas por las primeras estrellas y galaxias. Y estudios de galaxias han aparecido algunas galaxias muy distantes que muestran la atenuación interviniendo intergaláctico hidrógeno neutro, tal vez el último bit que queda antes de la reionización fue completa.
"Tenemos una indicación de que la reionización debería haber ocurrido, y estamos recibiendo indicios de cuándo podría haber terminado, pero no tenemos nada que nos dice lo que está sucediendo durante el mismo.", Agregó Parsons. "Eso es lo que esperamos aprender con HERA, el proceso real paso a paso de cómo ocurrió la reionización."
Una vez que los astrónomos conocen el proceso de re-ionización, pueden calcular la dispersión de la radiación de la era de la recombinación - la radiación cósmica de fondo, o CMB - y eliminar algunos de los errores que hace que sea difícil de detectar las ondas gravitacionales producidas por la inflación poco después del Big Explosión.
"Hay una gran cantidad de la cosmología que puede hacer con HERA", dijo Parsons. "Hemos aprendido mucho de la fina capa de la CMB, pero aquí vamos a estar mirando un espacio tridimensional completa. Algo así como el 80 por ciento del universo observable puede ser asignada usando la línea de 21 centímetros, por lo que este se abre la próxima generación de la cosmología ".
Parsons y DeBoer comparan HERA para el primer experimento para detectar la radiación cósmica de fondo de radiación, el Cobe, que logró su objetivo en 1992 y ganó por sus líderes - George Smoot, de UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y John Mather de la NASA - el Premio Nobel de Física de 2006.
"En última instancia, el objetivo es llegar al punto estábamos en realidad estamos haciendo imágenes, al igual que las imágenes CMB que hemos visto", dijo De Boer. "Pero eso es muy, muy difícil, y tenemos que aprender un poco justo sobre lo que estamos buscando y los instrumentos que necesitamos para llegar allí. Esperamos que lo desarrollamos permitirá que el Conjunto del Kilómetro Cuadrado u otro proyecto grande como para realmente hacer que estas imágenes y obtener mucho más a la ciencia de esta época crucial en nuestra historia cósmica ".
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