Nowe narzędzia i techniki umożliwią przyjrzenie się wschodowi wszechświata
Era rejonizacji to określenie okresu, w którym gaz wypełniający wszechświat zyskał ładunek elektryczny, czyli uległ jonizacji. Podczas ery rejonizacji wszechświat miał kilkaset milionów lat i zawierał już pierwsze złożone struktury – gwiazdy, czarne dziury i galaktyki. O ile naukowcy zajmujący się badaniem ery rejonizacji napotykają zwykle przeszkodę w postaci ograniczonych dowodów obserwacyjnych, to większe teleskopy kosmiczne, takie jak JWST, czy nowe zastosowania radioteleskopów w połączeniu ze znacznie zwiększoną mocą obliczeniową, dają im teraz możliwość zerknięcia nieco dalej w historię wszechświata. Europejska Rada ds. Badań Naukowych wsparła projekt FirstDawn, oceniając możliwości naukowe tak rozumianych postępów w obserwacjach pod kątem zrozumienia ery rejonizacji. „Ponieważ każde z narzędzi obserwacyjnych pozwala zobaczyć tylko pewien wycinek pełnego obrazu, postanowiliśmy połączyć różne narzędzia i opracować nowe sposoby wykorzystania danych do możliwie pełnego zgłębienia wiedzy na temat ery rejonizacji”, wyjaśnia Jonathan Pritchard z uczelni Imperial College London, która pełniła funkcję gospodarza projektu.
Ocena trzech pionierskich sond
W ramach projektu FirstDawn przeprowadzono ocenę trzech pionierskich sond ery rejonizacji – globalnego sygnału 21-centymetrowego, tomografii 21-centymetrowej i mapowania natężenia linii atomowych i cząsteczkowych. Atomy i cząsteczki emitują linie spektralne o określonych częstotliwościach, co umożliwia nam ich identyfikację. Wodór emituje promieniowanie elektromagnetyczne odpowiadające linii o częstotliwości 1 420 MHz, co odpowiada fali o długości 21 cm. Obserwacje tych linii umożliwiają uczonym stwierdzenie, gdzie w niebie występują dane atomy, ile ich jest i kiedy wyemitował linię emisyjną. Ponieważ we wczesnej fazie swojego istnienia wszechświat zawierał głównie wodór, globalny sygnał 21-centymetrowy może pozwolić przygotować mapę wszechświata z okresu od mniej więcej 150 milionów lat do 1 miliarda lat. „To pomoże nam wykryć, kiedy uformowały się pierwsze gwiazdy i dać odpowiedź, w jakim stopniu ich światło podgrzało i oświetliło wodór, który wypełniał przestrzeń międzygalaktyczną”, wyjaśnia Pritchard. Tomografia 21-centymetrowa pozwala pójść jeszcze dalej i zlokalizować zjawisko ogrzewania wodoru i oświecania go, dzięki czemu uczeni poznają przestrzenny rozkład galaktyk we wszechświecie i dowiedzą się, jak powoli jonizowały go swoim światłem. Wymaga to zastosowania znacznie większych układów anten radiowych – na przykład LOFAR czy Square Kilometre Array (SKA). Mniej powszechne mapowanie natężenia pozwala szukać linii rzadszych atomów i cząsteczek, takich jak atomy tlenu lub cząsteczki tlenku węgla. Ponieważ cięższe atomy powstają w gwiazdach, ich liczba we wszechświecie pozwala określić liczność i tempo formowania się gwiazd. Porównując obserwacje tych linii z obserwacjami linii wodoru, naukowcy mogą stworzyć pełniejszy obraz ery rejonizacji. Zespół opracował szereg nowych narzędzi statystycznych wykorzystujących tak zwaną analizę bispektralną do przetwarzania sygnału 21 cm. Ponieważ prowadzenie symulacji numerycznych służących do badania złożonej fizyki rejonizacji stanowi poważne wyzwanie, zespół projektu FirstDawn opracował emulator, ucząc w tym celu sieć neuronową szybkiego i wydajnego przybliżania symulacji 21 cm. Zespół opracował również modele różnych scenariuszy rejonizacji, aby zobaczyć, w jaki sposób zależą one od różnych podejść statystycznych.
Przyszłość radioastronomii
Projekt FirstDawn przyczynił się w znacznym stopniu do zaprojektowania SKA, głównej inwestycji Unii Europejskiej, oraz odegrał kluczową rolę w budowaniu międzynarodowej współpracy naukowej, koncentrującej się na badaniu ery rejonizacji. „Wyniki uzyskane z SKA sprawiły, że zaczęliśmy myśleć o analizie danych w nowy sposób, co zaowocowało rozwinięciem umiejętności, które znajdą zastosowanie w innych dziedzinach. Na przykład jeden z moich studentów pracuje teraz dla firmy stosującej sieci neuronowe i uczenie maszynowe do diagnostyki chorób zakaźnych w krajach rozwijających się”, dodaje Pritchard. Zespół planuje dalszy rozwój emulacji przez połączenie bardziej zaawansowanych symulacji z narzędziami statystycznymi. Uczeni poprawiają również stosowane modele tak, by usunąć anomalie generowane przez instrumenty obserwacyjne i w efekcie zmaksymalizować skuteczność teleskopów.
Słowa kluczowe
FirstDawn, era rejonizacji, wszechświat, atomy, teleskopy, emulator, sieć neuronowa, wodór, promieniowanie, kosmos, gwiazdy, galaktyki
