Nowe narzędzia i techniki umożliwią przyjrzenie się wschodowi wszechświata
Era rejonizacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) czy Square Kilometre Array (SKA)(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) do przetwarzania sygnału 21 cm. Ponieważ prowadzenie symulacji numerycznych służących do badania złożonej fizyki rejonizacji stanowi poważne wyzwanie, zespół projektu FirstDawn opracował emulator(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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.
