科學家正利用南極望遠鏡研究再電離紀元（EoR）
科學家正在研究再電離紀元（EoR），這是第一批恆星和星系電離氫、照亮早期宇宙的時期。 研究人員利用南極望遠鏡的數據和模擬，旨在探測微弱的kSZ 效應，這有助於了解再電離的時間和過程，儘管他們還沒有找到訊號。
研究人員正在利用南極望遠鏡的模擬和數據來探測微弱的kSZ 效應，這是了解再電離紀元（即第一批恆星電離宇宙的時間）的關鍵。
想像一下回到宇宙的早期，特別是重電離紀元（EoR）的開始。 那是第一批恆星和星系形成的時候，它們的能量分離了構成宇宙的濃密、黑暗的原始氫氣中的質子和電子，產生了電離氣體氣泡。
你的宇宙航行會在黑暗中發現許多這樣的氣泡，它們會生長、凝聚，電離出宇宙中的所有氫氣，照亮黑暗，為我們今天所知的星系演化奠定了基礎。
遺憾的是，科學家無法製造出時間機器，帶我們回到EoR。 但他們可以收集數TB的數據並進行模擬，從而深入了解早期宇宙和一個對理解星系的形成和演化至關重要的過程。
“這些最早的恆星具有很大的能量，當它們的紫外線質子與中性氫原子相互作用時，它們會從原子中噴射出一個電子，這就是宇宙重離子化的基本過程。”伊利諾大學厄巴納-香檳分校國家超級計算應用中心（NCSA）天文物理測量中心（CAPS）的博士後研究員里尼瓦桑-拉古納坦介紹。
這些在早期宇宙中移動的自由電子與宇宙微波背景（CMB）–宇宙大爆炸遺留下來的輻射–相互作用，提升了CMB的能量和亮度。 這種能量提升產生了所謂的動能蘇尼亞耶夫-澤爾多維申（kSZ）效應，它是來自早期宇宙的微弱訊號，讓宇宙學家能夠窺探時間，了解EoR所涉及的過程，以及它何時開始、持續了多久。
拉古納坦領導一個多機構研究小組，利用從南極望遠鏡和赫歇爾空間天文台（Herschel Space Observatory）上的SPIRE 儀器獲得的數據，從CMB 溫度圖中探測kSZ 效應。 他們的研究成果最近發表在Physical Review Letters（物理學和宇宙學研究的重要期刊）。 這項研究是南極望遠鏡合作計畫正在進行的研究工作之一，該計畫涉及全球20 多個組織的約100 名研究人員。
” 尋找這個訊號至關重要，因為透過它我們可以了解整個過程是如何發生的。但這個訊號非常微弱。 因為是早期宇宙，它被埋藏在資料中許多其他東西的下面，包括宇宙微波背景本身。 “
研究團隊利用南極望遠鏡的數據–在亞毫米波段90、150和220千兆赫的頻率上測量–進行了四點或三譜函數（測量系統中四點之間的相關性）分析，以尋找kSZ效應的非高斯性或斑塊性。 當星系開始形成，整個宇宙再電離時，這種效應預計會給CMB 帶來輕微的能量提升（以溫度衡量）。
拉古納坦解釋說：”我們知道有許多星係呈斑塊或氣泡狀，這些斑塊之間應該存在某種相關性。我們正試圖根據這些相關性來猜測我們的宇宙是如何實現的。”
模擬早期宇宙
為了幫助他們尋找kSZ 訊號，研究人員開發了高解析度的宇宙電腦模擬，並以這些模擬為模板，努力從CMB 中過濾掉無關訊號和引力透鏡效應（光繞著星系和宇宙中其他物質傳播時的路徑曲線）。 他們利用NCSA的伊利諾伊校園星簇進行了數百次模擬，模擬了他們的數據。
“我們有幾兆兆位元組的數據，我們想驗證我們正在測量的東西。 因此，我們建立了早期宇宙的模擬。我們做了很多很多模擬。”拉古納坦解釋說，模擬是為了”看清”宇宙中的這些早期訊號是如何相互作用的，以及它們是如何進入被測量的三種頻率的。 “我們不是在觀察某個星系，然後說這就是我們的測量結果。 我們現在要做的是建立一個再電離紀元的統計模型。我們知道有很多星系，或者說很多很多斑塊，被捲入了大體積流中，因此這些斑塊之間應該存在某種相關性，從而產生kSZ 訊號。
儘管EoR產生的kSZ效應應該會給CMB帶來一個小的提升，或者說輝光，但研究小組尚未在其數據中探測到這一信號，儘管如此，這一結果還是在探測早期宇宙和理解EoR方面向前邁出了重要的一步。
“我們沒有偵測到訊號這一事實告訴我們，訊號不可能高於某個振幅。訊號必須低於這個特定的期望值，僅憑這一點，我們就可以排除很多再電離模型，例如早期和慢速模型，它們預測的kSZ訊號可能是巨大的。
設定EoR可能結束的時間上限，為科學家繼續研究早期宇宙和EoR提供了一個參數。 隨著覆蓋宇宙更大範圍的新的高解析度、低雜訊資料集的出現，以及科學家進行更多的多頻率分析，他們將拼湊出再電離時代之謎，包括它何時開始，是突然發生還是緩慢發生，以及何時結束。
拉古納坦說：”正在進行的南極望遠鏡勘測還將持續幾年，這將大大減少數據中的噪音，使數據越來越好。名為CMB-S4 的下一代宇宙微波背景實驗將從南極和智利的望遠鏡收集勘測數據，這意味著更多的可用數據將覆蓋更廣闊的天空。時代。 ，以及整個過程是如何發生的。
編譯自/ SciTechDaily