在宇宙黎明时使用速度感应的声振荡作为标准尺

资讯2020-02-25 10:58:42
导读我们目前对物理学的理解表明,宇宙中有两种主要物质,即暗物质和重子物质。暗物质由科学家无法直接观察的物质组成,因为它不发光或不发射能

我们目前对物理学的理解表明,宇宙中有两种主要物质,即暗物质和重子物质。暗物质由科学家无法直接观察的物质组成,因为它不发光或不发射能量。另一方面,重子物质由正常原子物质组成,包括质子,中子和电子。

与暗物质相反,重子物质可以与光子相互作用,从而产生所谓的重子声振荡(BAO),这基本上是由声波引起的密度波动。在产生BAO时,相同的相互作用还会在暗物质和重子之间产生超音速相对速度。

众所周知,这些产生的速度会阻碍宇宙黎明时第一批恒星的形成,这是大爆炸之后的时代,当时第一批恒星和星系突然爆发,从而调制了这个特定时代的预期信号。在一项由两部分组成的引人入胜的有趣研究中,哈佛大学的研究人员最近表明,这种信号调制采取了稳健的速度感应声振荡(VAO)的形式,这反过来可以提供有关宇宙黎明时代的宝贵见解。

进行这项研究的研究人员朱利安·B·穆尼兹(Julian B.Muñoz)对Phys.org说:“自2010年以来,暗物质和重子具有相对较大速度的想法就已经存在了。”“实际上,在同一年,其他研究人员意识到,这种相对速度将对第一批恒星的形成产生重大影响。虽然我们无法直接看到这些恒星,因为它们距离很远且昏暗,但可以间接地检测到它们。使用21厘米的氢气线。”

当Muñoz开始从事其项目时,他最初想使用称为21cmFAST的公共模拟代码来实现相对速度的影响,这是宇宙学家用来了解21厘米宇宙信号的标准工具。然后,他在《物理评论》 D上发表的论文中介绍了这些模拟的结果。

“在进行模拟时,我意识到增加速度会在21厘米信号中产生鲁棒的速度感应声振荡(VAO),其起源与我们习惯使用的重子声振荡(BAO)相同,但是是由相对速度而不是密度过高/不足引起的。”“这些VAO将150 Mpc的重子声标刻在21厘米的地图上,然后可以用作标准标尺。”

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中,穆尼奥斯随后提出了这样一种想法,即,由于重子物质和光子的耦合而最终产生的VAO导致21厘米信号(通常用于检测恒星)在一个已知的周期内发生空间振荡。 150 Mpc(约4.5亿光年)。然后,他建议,由于这些振荡的形状和特征是已知的,因此它们可以用作测量宇宙黎明期间(即大爆炸后25亿年)宇宙大小的标准尺。

至少可以说,穆尼奥斯(Muñoz)提出的想法引人入胜,因为天文学家目前没有其他方法可以进入这个特定的宇宙时代。换句话说,这种测量或“标准尺”将是同类产品中的第一个,为与21厘米信号有关的研究开辟了新的令人兴奋的可能性,例如电离阵列(HERA)项目的氢时代。

HERA项目是美国,南非和英国机构的天体物理学家与研究人员之间的合作,旨在建造一种能够稳健地探测电离(EOR)红移氢能谱特征的时代的望远镜。该项目的另一个目标是收集数据,以扩大对宇宙曙光时代的当前了解。

Muñoz说:“我项目的目标之一是将相对速度纳入21厘米代码21cmFAST的公开范围,因为它们会改变宇宙黎明期间的所有预测。”“这对于理解21厘米信号很有必要,例如,未来几年,HERA的合作将有望探测到这一信号。”

正如Muñoz继续解释的那样,由于重子的声学物理特性已烙印在第一批恒星的分布上,因此也印在了21厘米的图上,因此VAO引起的调制本身就是一个有趣的现象。正是由于已知重子的声学物理原理,这些速度才能在宇宙黎明时提供强大的标准尺。

“在宇宙黎明期间测量宇宙的大小将是令人兴奋的,因为这个时代处于宇宙微波背景(CMB)和当地宇宙之间的一半,这与宇宙大小的测量不一致(著名的H0张力介于超新星和CMB数据),”Muñoz说。

HERA的合作很快将开始收集与宇宙黎明发射的21厘米功率信号有关的数据。一旦获得了这些数据,就可以用来衡量宇宙黎明期间宇宙的膨胀率。由于缺乏研究它的工具,这个时代至今仍是个谜。当这种情况发生时,穆尼奥斯(Muñoz)提出的想法可能被证明是非常有价值的,因为它们突显了在这个此前尚未探索的时代可能将VAO用作标准尺。

尽管此项目中介绍的理论可能具有巨大的价值,但对VAO的某些方面仍知之甚少。Muñoz在他的未来工作中计划继续调查VAO,例如试图更好地了解它们如何调制对第一恒星形成的反馈,目前尚不清楚。

穆尼兹说:“我还打算完善预测,包括更复杂的前景和噪声模型,这些模型可以模拟HERA仪器,因为HERA在未来十年很可能会观测到这些VAO。”

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