برای اولین بار، آزمایش نقشه برداری شدت هیدروژن کانادا (CHIME) نشان داد که می تواند درخشش رادیویی بسیار ضعیف گاز هیدروژن از جهان دور را تنها با استفاده از مشاهدات خود تشخیص دهد.
نتیجه می‌تواند راهی سریع‌تر و ارزان‌تر را برای مطالعه انرژی تاریک به دانشمندان بدهد، پدیده‌ای که هنوز مرموز است که گمان می‌رود انبساط کیهان را تسریع می‌کند. درک انرژی تاریک یکی از بزرگترین مشکلات حل نشده در فیزیک مدرن است. این دستاورد همچنین یک نقطه عطف مهم برای CHIME است که در ابتدا با این نوع اندازه گیری طراحی شده بود. یافته ها در منتشر شده است مجله اخترفیزیک.
دکتر آرناب چاکرابورتی، یکی از محققان فوق دکترا در دانشگاه تورنتو که برای اولین بار این کشف را مطرح کرد، گفت: «هیدروژن رایج ترین عنصر در جهان و ماده خامی است که ستارگان از آن شکل می گیرند. گسیل رادیویی ضعیف آن به عنوان یک ردیاب کیهانی عمل می کند و نحوه توزیع ماده در فضا را آشکار می کند.
دانشمندان توضیحات رقابتی برای ماهیت انرژی تاریک ارائه کرده اند. از آنجایی که CHIME اکنون می‌تواند این اندازه‌گیری‌ها را با استفاده از داده‌های خود انجام دهد، محققان می‌توانند این ایده‌ها را به‌طور مستقل آزمایش کنند و شواهدی را جمع‌آوری کنند که می‌تواند نظریه‌های موجود را پشتیبانی یا به چالش بکشد.
دکتر مارک هالپرن، استاد دپارتمان فیزیک و ستاره شناسی UBC و محقق اصلی CHIME، گفت: «این یک تکنیک کاملاً جدید برای اکتشاف فضایی است که توسط ابزاری ارائه شده است که توسط کانادایی ها طراحی، ساخته و تأمین مالی شده است». “این یک گام جدید جسورانه در برنامه جهانی کیهان شناسی و یک داستان موفقیت کانادایی است.”
نقشه برداری کیهان با هیدروژن
CHIME یک تلسکوپ رادیویی است که در نزدیکی پنتیکتون، بریتیش کلمبیا قرار دارد و توسط شورای تحقیقات ملی کانادا (NRC) میزبانی می‌شود. این ابزار هر روز کل آسمان شمال را بررسی می کند.
این پروژه محققان را از سراسر کانادا گرد هم می آورد، از جمله دانشمندانی از دانشگاه بریتیش کلمبیا، دانشگاه مک گیل، دانشگاه تورنتو و رصدخانه اخترفیزیکی رادیویی Dominion (NRC). سایر همکاران آمریکای شمالی از جمله دانشگاه ایالتی آریزونا نیز در این تلاش مشارکت دارند.
یکی از اهداف اصلی CHIME ترسیم نحوه توزیع گاز هیدروژن در جهان اولیه است. با اندازه گیری این ساختار در مقیاس بزرگ، ستاره شناسان می توانند نحوه انبساط جهان در طول زمان را بازسازی کنند و از این اندازه گیری ها برای مطالعه انرژی تاریک استفاده کنند.
تا پیش از این، محققان CHIME مجبور بودند مشاهدات رادیویی خود را با داده‌های بررسی کهکشان‌های جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ‌های دیگر مقایسه کنند. این مطالعات با رصد نور کهکشان ها با جزئیات بسیار بیشتر به سوالات کیهان شناسی مشابهی می پردازد. با این حال، آنها می توانند میلیون ها دلار هزینه بیشتری داشته باشند و عمدتاً مناطقی از جهان را که به اندازه کافی داغ و متراکم هستند برای تشکیل ستاره ها کاوش کنند.
در عوض، CHIME انتشار رادیویی ترکیبی تولید شده توسط خود هیدروژن را اندازه گیری می کند. این رویکرد به محققان اجازه می‌دهد تا مناطق بسیار بزرگ‌تری از فضا را مطالعه کنند، به گذشته‌های بیشتری برسند، و سوالات مشابه را با کسری از هزینه، بدون وابستگی به داده‌های سایر مطالعات دنبال کنند.
آنچه سیگنال هیدروژن نشان می دهد
در مقاله ای همراه، محققان آنچه را که سیگنال جدید کشف شده می تواند در مورد نحوه توزیع هیدروژن در جهان به دانشمندان بگوید، تجزیه و تحلیل کردند.
دکتر شبیر شیخ، محقق فوق دکتری در دانشگاه ایالتی آریزونا، می‌گوید: «داده‌های ما نشان می‌دهد که تقریباً دو درصد از هیدروژن موجود در جهان در آن زمان به شکل اتمی خنثی بود که به طور کلی با اندازه‌گیری‌های دیگر مطابقت دارد.» با اندازه‌گیری نحوه توزیع و خوشه‌بندی این هیدروژن، CHIME راه جدیدی را برای آزمایش درک خود از نحوه شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها در اختیار ما قرار می‌دهد.»
بنابراین اندازه‌گیری بیش از یک راه جدید برای مطالعه انبساط کیهانی ارائه می‌کند. همچنین می‌تواند به محققان در آزمایش مدل‌های تشکیل کهکشان‌ها و درک بهتر چگونگی سازمان‌دهی ماده در جهان کمک کند.
پیدا کردن یک سیگنال پنهان در نویز کیهانی
این کشف به عنوان یک پیشرفت ناگهانی رخ نداد. محققان مجبور شدند از روش‌های پردازش و تحلیل داده‌های جدید برای استخراج سیگنال هیدروژن بسیار ضعیف از منابع تداخل بسیار قوی‌تر استفاده کنند.
این پس‌زمینه شامل نویز رادیویی از خود کیهان، سیگنال‌های تولید شده توسط فناوری بشر و حتی اثرات ایجاد شده توسط تلسکوپ بود. پس از شناسایی امضای احتمالی هیدروژن، تیم بیش از یک سال آزمایش کرد تا مطمئن شود که نتیجه واقعی است.
تجزیه و تحلیل آنها در نهایت نشان داد که سیگنال از هیدروژن در کیهان دور در زمانی که جهان حدود پنج میلیارد سال سن داشته است. نتیجه بر اساس 94 شب مشاهدات جمع آوری شده در سال 2019 است.
دکتر چاکرابورتی گفت: «ما خیلی سخت کار کردیم تا مطمئن شویم که این یک زنگ خطر اشتباه نیست. “بعد از همه آزمایش ها، سیگنال باقی ماند. این به ما اطمینان داد که هیدروژن واقعی را از جهان دور می بینیم.”
هفت سال از مشاهدات CHIME باقی مانده است
نتیجه جدید تنها بر بخش کوچکی از اطلاعاتی است که CHIME از زمان آغاز به کار خود جمع آوری کرده است.
محققان اکنون نزدیک به هفت سال مشاهدات برای تجزیه و تحلیل در دسترس دارند. آنها در تلاشند تا این تکنیک را بیشتر در تاریخ کیهانی گسترش دهند، با هدف مطالعه دورانی که کیهان تنها سه میلیارد سال سن داشت.
دکتر سایمون فورمن، استادیار دانشگاه ایالتی آریزونا در دانشگاه آریزونا، استادیار دانشگاه ایالتی آریزونا، گفت: “اخترفیزیکدانان مدت‌ها بر این باور بودند که پتانسیل زیادی در این تکنیک برای نقشه‌برداری هیدروژن با این نوع تلسکوپ وجود دارد. با نشان دادن این که این تکنیک در عمل کار می‌کند، پنجره کاملا جدیدی را روی جهان گشوده‌ایم.
این پروژه توسط بنیاد نوآوری کانادا تامین می شود شورای ملی تحقیقات کانادا، شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی و استان های بریتیش کلمبیا، انتاریو و کبک و با حمایت اتحادیه تحقیقات دیجیتال کانادا.
