天文学者はおそらく宇宙で最初の星の兆候を発見しました

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ビデオ: 暗黒物質は実在する?天の川銀河に反物質星の兆候を発見! 2022, 12月
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Anonim
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天文学者は、最初の星がビッグバンから1億8000万年後に宇宙に存在し、中性ガスの加熱に関与したという可能性のある証拠を発見しました。研究結果はまた、初期の宇宙のガスの温度が以前に考えられていたものの半分であることを示しています。これは暗黒物質との相互作用によって説明することができます。 Nature誌に記事が掲載されました(1、2)。

ビッグバンから30万年後、膨張する宇宙は非常に冷えたため、高温の一次プラズマが再結合して中性の水素原子とヘリウム原子が形成され、宇宙は放射線に対して透明になりました。しかし、そこには明るい光源はありませんでした。最初の星や銀河は、重力の影響下で物質の塊から形成され始めたばかりだったので、宇宙の発展におけるこの時代は暗黒時代と呼ばれていました。その後、最初の星とクエーサーが形成されると、それらからの紫外線の流れが中性ガスをイオン化しました-再電離の時代が始まりました(宇宙のこの期間の詳細については、私たちの資料を読んでください)または二次イオン化水素は約4億5000万年続いた後、物質が始まり、今まで続いており、宇宙は私たちが今観察している形を獲得しています。

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宇宙が形成された瞬間から現在に至るまでの宇宙の発展の主な段階

初期の宇宙の歴史における興味深い質問の1つは、最初の星がどのように見え、いつ形成されたかを理解することです。これは、水素の再電離の主な原因(星またはクエーサー)を特定するために必要です。そのため、これらの主要な星を数えることが重要です。さらに、元素合成の理論は星の年齢を非常に正確に決定することを可能にするので、宇宙の年齢に匹敵する年齢以上の星が見つかった場合、これは宇宙論の矛盾を検出するのに役立ちます。

モデルは、そのような星が大きく、青く、短命であると予測します(種族IIIの星と指定されています)。初期の研究では、最初の星が大量の紫外線を生成する可能性があり、周囲の水素原子と相互作用すると、21センチメートルの波長で超微細線の励起状態が変化することが示されています。この変化により、ガスは宇宙マイクロ波背景放射からの光子を吸収し、スペクトルの赤色領域への周波数シフトにより、65〜95MHzの範囲の無線周波数で今日観察されるはずのスペクトル「ディップ」を作成しました。

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暗黒時代から宇宙の再電離時代の終わりまでの中性水素無線線の信号強度の変動の進化。

このスペクトルの特徴を検出するために、Judd Bowmanが率いる研究者チームは、西部の電波の静かな地域にあるEDGES(Reionization Signatureのグローバルエポックを検出する実験)地上局を使用して、50〜100MHzの周波数範囲で空の観測を行いました。オーストラリア。2015年8月に開始。得られたスペクトルは、銀河環境、星雲、地球の電離層と大気、およびその他の電波ノイズの影響を含む多くの要因を考慮して処理および較正されました。その結果、78MHzを中心に約19MHzの幅の吸収プロファイルを得ることができました。天文学者は、3、8シグマの統計的有意性を持つこの「ディップ」は、最初の星の放射によって作成され、私たちに知られている他の天文学または大気プロセスはそれを作成できないと信じています。

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EDGESプロジェクトの低周波アンテナの1つの外観。

初期宇宙から観測された21cmの信号の強度は、マイクロ波背景放射に対する輝度温度として与えられます。これは、コンプトン散乱によって初期宇宙に関連しています。観測された吸収プロファイルは、赤方偏移z≈17に対応する周波数に中心があり、20> z> 15の範囲をカバーしています。これは、ビッグバンから1億8000万年後、最初の星が紫外線でガスを加熱し始め、その後、星の死後に形成されたコンパクトオブジェクトの周りの降着円盤によって生成されたX線放射によって加熱が続いたことを意味します。 1億年も経たないうちに、ガスはバックグラウンド温度よりも高温になり、スペクトルの低下はなくなりました。

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さまざまな赤方偏移値とそれに対応する宇宙の年齢に対してさまざまな方法で得られた最適な吸収プロファイル。太い黒線は、S / N比が52と最も高いモデルに対応します。

研究の結果はまた、初期の宇宙のガスが予想よりもはるかに冷たく、運動温度が3.2ケルビン未満であったのに対し、標準シナリオで可能な最小値は7ケルビンであることを示しています。この不一致にはいくつかの異なる説明があります。1つはRennanBarkanaによって提案され、2番目の記事で説明されていますが、ガス(バリオン物質)とより冷たい暗黒物質との弱い非重力相互作用であり、はるかに速く冷却される可能性があります。この相互作用の強さは、温度によって、より具体的には、暗黒物質粒子に対する散乱バリオンの速度によって変化する可能性があります。バリオン暗黒物質の散乱が低い相対速度で最も強い場合、その効果は、最初の星が照らされた「宇宙の夜明け」の期間中にのみ現れることができます。実行された計算とそれらの分析は、暗黒物質粒子が4.3 GeV(いくつかの陽子質量)よりも軽くなければならないことを示しています。寒い。暖かい暗黒物質モデルによって予測された速度を持っている。これらの結果は、21センチメートルの波長での観測が暗黒物質の研究に使用できることを示しています。

以前、私たちは初期の宇宙の水が最初の10億年以内にすでにかなりの量で出現した可能性がある方法、天文学者が初期の宇宙で巨大な銀河の形成のピークの痕跡を発見した方法、そしてなぜコンパクトな銀河が重要な役割を果たしたのかについて話しました再電離の時代。

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