El misterio de la formación de las primeras galaxias del universo es un enigma para los investigadores. La naturaleza de la materia oscura es también uno de los misterios más importantes que enfrentan los físicos fundamentales. Sin embargo, comprender la naturaleza de la materia oscura —por ejemplo, si es fría o cálida— y su posterior efecto en la formación de las primeras galaxias es un gran desafío.
Ahora, un equipo de investigación conjunto de la Universidad del Noreste (China) y los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia de Ciencias de China (NAOC) ha propuesto utilizar una nueva sonda para tratar de arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura y la formación temprana de galaxias simultáneamente. . El estudio del equipo fue publicado en Nature Astronomy el 6 de julio.
Una forma de entender la materia oscura es tratar de medir la masa de las partículas de materia oscura a través de observaciones cosmológicas de estructuras a pequeña escala. Pero detectar estructuras a pequeña escala en las que nunca se ha producido formación estelar es difícil, especialmente durante el amanecer cósmico. Afortunadamente, el gas de hidrógeno atómico dentro y alrededor de estas pequeñas estructuras oscuras del amanecer cósmico crea líneas de absorción de 21 cm a lo largo de las líneas de visión entre la Tierra y las fuentes puntuales de radio de alto corrimiento al rojo. Estas líneas de absorción se conocen colectivamente como el bosque de 21 cm.
La sonda forestal de 21 cm es un concepto teórico que se ha propuesto durante más de 20 años, con el objetivo de buscar las temperaturas de los gases y, potencialmente, las propiedades de la materia oscura durante el amanecer cósmico. Hasta ahora, los científicos no han intentado utilizar la sonda debido a numerosos desafíos, incluidas señales extremadamente débiles, la dificultad para identificar fuentes de fondo de alto corrimiento al rojo y la degeneración entre la masa de partículas de materia oscura y el efecto de calentamiento, que evitaría la sonda de restringir la masa de partículas o el efecto de calentamiento de las primeras galaxias.
Recientemente, sin embargo, se han descubierto una serie de cuásares de alto desplazamiento al rojo y ruidoso. Además, la construcción del Square Kilometer Array (SKA), una iniciativa internacional para construir el radiotelescopio más grande del mundo, comenzó en diciembre pasado. Ambos desarrollos sugieren que el uso de la sonda forestal de 21 cm pronto será factible.
Inspirándose en los análisis de espectro de potencia ampliamente utilizados en las sondas cosmológicas, los investigadores de NAOC se dieron cuenta de que las dependencias de escala distintivas de las señales causadas por el efecto de materia oscura cálida y el efecto de calentamiento, respectivamente, podrían usarse para extraer estadísticamente características clave para distinguir los dos efectos
En este estudio, los investigadores propusieron una solución estadística novedosa para resolver simultáneamente el problema de la señal débil y el problema de la degeneración, midiendo el espectro de potencia unidimensional (1-D) del bosque de 21 cm. La dependencia de la escala de la señal revelada por la amplitud y la forma del espectro de potencia 1-D hace que la sonda forestal de 21 cm sea un medio viable y eficaz para medir simultáneamente las propiedades de la materia oscura y la historia térmica del universo.
«Al medir el espectro de potencia unidimensional del bosque de 21 cm, no solo podemos hacer que la sonda sea realmente factible al aumentar la sensibilidad, sino que también proporcionamos una forma de distinguir los efectos de los modelos de materia oscura cálida y el proceso de calentamiento temprano». dijo Xu Yidong, autor correspondiente del estudio. «Seremos capaces de matar dos pájaros de un tiro».
En escenarios donde el calentamiento cósmico no es demasiado severo, la matriz de baja frecuencia de SKA Phase 1 será capaz de restringir efectivamente tanto la masa de partículas de materia oscura como la temperatura del gas. En los casos en que el calentamiento cósmico sea más significativo, la utilización de múltiples fuentes de radio de fondo durante la Fase 2 de SKA permitirá capacidades de detección sólidas.
El bosque de 21 cm ofrece un medio viable para restringir la materia oscura en rangos de corrimiento al rojo más allá del alcance de otras observaciones. Al medir el nivel de calentamiento, el bosque de 21 cm proporciona una forma de restringir las propiedades espectrales de las primeras galaxias y los primeros agujeros negros, para arrojar luz sobre la naturaleza de los primeros objetos brillantes del universo. El uso de la sonda forestal de 21 cm servirá como una vía indispensable para avanzar en nuestra comprensión del universo primitivo y escudriñar los misterios tanto de la materia oscura como de las primeras galaxias.
Dado que la aplicación de la sonda forestal de 21 cm está estrechamente relacionada con las observaciones de fuentes de radio de fondo de alto corrimiento al rojo, el próximo paso también implicará la identificación de más fuentes de radio brillante en el amanecer cósmico (como los cuásares de radio alto y los estallidos de rayos gamma). afterglows) que pueden ser seguidos en la era SKA.
Con información de Nature
