Rejonizacja - Reionization

Część serii na
Kosmologia fizyczna
Obraz pełnego nieba uzyskany z danych WMAP z dziewięciu lat
Wczesny wszechświat
Tła
Ekspansja  · Przyszłość
Komponenty  · Struktura
składniki
Struktura
Eksperymenty
Naukowcy
Historia przedmiotu

W dziedzinie teorii Wielkiego Wybuchu i kosmologii , rejonizacja jest procesem, który spowodował rejonizację materii we wszechświecie po upływie „ ciemnych wieków ”.

Era rejonizacji jest drugim z dwóch dużych przejść fazowych w gazie w świata (pierwszy jest rekombinacja ). Podczas gdy większość materii barionowej we wszechświecie ma postać wodoru i helu , rejonizacja zwykle odnosi się ściśle do rejonizacji wodoru , pierwiastka.

Uważa się, że pierwotny hel również doświadczył tej samej fazy zmian rejonizacji, ale w różnych momentach historii wszechświata. Nazywa się to zwykle rejonizacją helu .

Tło

Schematyczna oś czasu wszechświata, przedstawiająca miejsce rejonizacji w kosmicznej historii.

Pierwsza zmiana fazy wodoru w świecie był rekombinacji , które występowały przy przesunięcia ku czerwieni Z  = 1089 (379,000 rok po Big Bang), ze względu na chłodzenie świata do momentu, w którym prędkość rekombinacji elektronów i protonów do postaci wodór obojętny był wyższy niż szybkość rejonizacji . Wszechświat był nieprzezroczysty przed rekombinacją z powodu rozpraszania fotonów (o wszystkich długościach fal) od wolnych elektronów (i, w znacznie mniejszym stopniu, od wolnych protonów), ale stawał się coraz bardziej przezroczysty, gdy więcej elektronów i protonów łączyło się, tworząc neutralny wodór. atomy. Podczas gdy elektrony neutralnego wodoru mogą absorbować fotony o niektórych długościach fal, wznosząc się do stanu wzbudzonego , wszechświat pełen neutralnego wodoru będzie stosunkowo nieprzezroczysty tylko na tych zaabsorbowanych długościach fal, ale przezroczysty w większości widma. Od tego momentu zaczynają się mroczne wieki wszechświata, ponieważ nie było żadnych źródeł światła poza stopniowo zmieniającym się ku czerwieni kosmicznym promieniowaniem tła.

Druga zmiana fazy nastąpiła, gdy we wczesnym wszechświecie zaczęły się kondensować obiekty, które były wystarczająco energetyczne, aby ponownie zjonizować obojętny wodór. Gdy obiekty te uformowały się i wypromieniowały energię, wszechświat zmienił się z neutralnych atomów, stając się ponownie zjonizowaną plazmą . Nastąpiło to między 150 milionami a miliardem lat po Wielkim Wybuchu (przy przesunięciu ku czerwieni 6 <  z  < 20). W tym czasie jednak materia była rozproszona w wyniku ekspansji wszechświata, a oddziaływania rozpraszające fotonów i elektronów były znacznie rzadsze niż przed rekombinacją elektron-proton. W ten sposób wszechświat był pełen zjonizowanego wodoru o niskiej gęstości i pozostał przezroczysty, tak jak ma to miejsce dzisiaj.

Metody wykrywania

Spojrzenie wstecz na historię wszechświata przedstawia pewne wyzwania obserwacyjne. Istnieje jednak kilka metod obserwacyjnych do badania rejonizacji.

Kwazary i koryto Gunna-Petersona

Jednym ze sposobów badania rejonizacji są widma odległych kwazarów . Kwazary uwalniają niezwykłą ilość energii, w rzeczywistości są jednymi z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie. W rezultacie niektóre kwazary są wykrywalne już w epoce rejonizacji. Zdarza się również, że kwazary mają stosunkowo jednolite cechy widmowe, niezależnie od ich położenia na niebie czy odległości od Ziemi . Można więc wnioskować, że jakiekolwiek większe różnice między widmami kwazarów będą spowodowane oddziaływaniem ich emisji z atomami wzdłuż linii widzenia. Dla długości fal światła przy energiach jednego z przejść Lymana wodoru, przekrój rozpraszania jest duży, co oznacza, że ​​nawet przy niskich poziomach neutralnego wodoru w ośrodku międzygalaktycznym (IGM), absorpcja na tych długościach fal jest wysoce prawdopodobna.

W przypadku pobliskich obiektów we wszechświecie spektralne linie absorpcji są bardzo ostre, ponieważ tylko fotony o energiach wystarczających do spowodowania przejścia atomowego mogą je wywołać. Jednak odległości między kwazarami a teleskopami, które je wykrywają, są duże, co oznacza, że ekspansja Wszechświata powoduje zauważalne przesunięcie ku czerwieni. Oznacza to, że gdy światło z kwazara przechodzi przez IGM i jest przesunięte ku czerwieni, długości fal, które były poniżej limitu Lyman Alpha, są rozciągane i w efekcie zaczną wypełniać pasmo absorpcji Lymana. Oznacza to, że zamiast pokazywać ostre spektralne linie absorpcyjne, światło kwazara, które przeszło przez duży, rozległy obszar neutralnego wodoru, pokaże wgłębienie Gunna-Petersona .

Przesunięcie ku czerwieni dla konkretnego kwazara dostarcza czasowych (czasowych) informacji o rejonizacji. Ponieważ przesunięcie ku czerwieni obiektu odpowiada czasowi, w którym wyemitował światło, można określić, kiedy zakończyła się rejonizacja. Kwazary poniżej pewnego przesunięcia ku czerwieni (bliżej w przestrzeni i czasie) nie pokazują koryta Gunna-Petersona (choć mogą pokazać las Lyman-alfa ), podczas gdy kwazary emitujące światło przed rejonizacją będą miały koryto Gunn-Peterson. W 2001 roku wykryto cztery kwazary (przez Sloan Digital Sky Survey ) z przesunięciem  ku czerwieni w zakresie od z = 5,82 do z  = 6,28. Podczas gdy kwazary powyżej z  = 6 wykazały dołek Gunna-Petersona, co wskazuje, że IGM nadal był przynajmniej częściowo obojętny, te poniżej nie, co oznacza, że ​​wodór był zjonizowany. Ponieważ przewiduje się, że rejonizacja zajdzie w stosunkowo krótkich skalach czasowych, wyniki sugerują, że wszechświat zbliżał się do końca rejonizacji przy z  = 6. To z kolei sugeruje, że wszechświat musiał nadal być prawie całkowicie neutralny przy z  > 10.

Anizotropia i polaryzacja CMB

Anizotropia kosmicznego mikrofalowego tła w różnych skalach kątowych może być również wykorzystana do badania rejonizacji. Fotony ulegają rozpraszaniu, gdy obecne są wolne elektrony, w procesie znanym jako rozpraszanie Thomsona . Jednak w miarę rozszerzania się Wszechświata gęstość wolnych elektronów będzie się zmniejszać, a rozpraszanie będzie występować rzadziej. W okresie podczas i po rejonizacji, ale zanim nastąpiła znaczna ekspansja, aby wystarczająco obniżyć gęstość elektronów, światło tworzące CMB będzie doświadczać obserwowalnego rozpraszania Thomsona. To rozproszenie pozostawi ślad na mapie anizotropii CMB , wprowadzając anizotropie wtórne (anizotropie wprowadzone po rekombinacji). Ogólnym efektem jest wymazanie anizotropii, które występują w mniejszej skali. Podczas gdy anizotropie w małej skali są usuwane, anizotropie polaryzacyjne są faktycznie wprowadzane z powodu rejonizacji. Patrząc na obserwowane anizotropie CMB i porównując z tym, jak wyglądałyby, gdyby nie doszło do rejonizacji, można określić gęstość kolumny elektronowej w czasie rejonizacji. Dzięki temu można obliczyć wiek wszechświata, w którym nastąpiła rejonizacja.

Mikrofalowa Anisotropy Probe Wilkinson dozwolony, że dokonanie porównania. Wstępne obserwacje, opublikowane w 2003 roku, sugerowały, że rejonizacja miała miejsce od 11 < z  < 30. Ten zakres przesunięcia ku czerwieni wyraźnie nie zgadzał się z wynikami badań widm kwazarów. Jednak trzyletnie dane WMAP dały inny wynik, z rejonizacją rozpoczynającą się od z  = 11 i wszechświatem zjonizowanym przez z  = 7. Jest to znacznie lepiej zgodne z danymi dotyczącymi kwazara.

Wyniki z misji Planck z 2018 r. dają natychmiastowe przesunięcie ku czerwieni rejonizacji z = 7,68 ± 0,79.

Parametr jest zwykle tu cytowane τ, „głębokości optycznej na era rejonizacji”, albo, alternatywnie, z Re , przesunięcie ku czerwieni w era rejonizacji, przy założeniu, że to chwilowe zdarzenia. Chociaż jest to mało prawdopodobne, aby być fizyczne, ponieważ era rejonizacji było bardzo prawdopodobne, nie chwilowa, z re zapewnia oszacowanie średniego przesunięcia ku czerwieni z era rejonizacji.

Linia 21 cm

Nawet jeśli dane dotyczące kwazara są z grubsza zgodne z danymi anizotropii CMB, nadal istnieje wiele pytań, zwłaszcza dotyczących źródeł energii rejonizacji oraz wpływu i roli tworzenia struktur podczas rejonizacji. Linia 21 cm w wodór jest potencjalnie środkiem analizy tego okresu, a także „wiek” ciemne które poprzedzały era rejonizacji. Linia o długości 21 cm występuje w wodorze obojętnym, ze względu na różnice w energii między stanami tripletów spinowych i singletowych elektronu i protonu. To przejście jest zabronione , co oznacza, że ​​występuje niezwykle rzadko. Przejście jest również silnie zależne od temperatury , co oznacza, że ​​gdy obiekty tworzą się w „ciemnych wiekach” i emitują fotony Lyman-alfa, które są absorbowane i ponownie emitowane przez otaczający obojętny wodór, wytworzy w tym wodorze sygnał liniowy o długości 21 cm. Sprzęgło pola Wouthuysena . Badając emisję liniową o długości 21 cm, będzie można dowiedzieć się więcej o wczesnych strukturach, które się uformowały. Obserwacje z Eksperymentu Wykrywania Sygnatury Globalnej Epoki Rejonizacji ( EDGES ) wskazują na sygnał z tej epoki, chociaż konieczne będą dalsze obserwacje, aby go potwierdzić. Kilka innych projektów ma nadzieję zrobić postęp w tej dziedzinie w najbliższej przyszłości, takich jak Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR), Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT). ), maper IGM Spin Temperature (MIST), misja Dark Ages Radio Explorer (DARE) oraz Large-Aperture Experiment do wykrywania ciemnych wieków (LEDA).

Źródła energii

Astronomowie mają nadzieję wykorzystać obserwacje, aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób wszechświat został zrejonizowany.

Chociaż pojawiły się obserwacje, w których zawęża się okno, w którym mogła nastąpić epoka rejonizacji, nadal nie jest pewne, które obiekty dostarczyły fotony, które zrejonizowały IGM. Do jonizacji obojętnego wodoru potrzebna jest energia większa niż 13,6 eV , co odpowiada fotonom o długości fali 91,2 nm lub krótszej. Znajduje się to w ultrafioletowej części widma elektromagnetycznego , co oznacza, że ​​głównymi kandydatami są wszystkie źródła, które wytwarzają znaczną ilość energii w ultrafiolecie i wyższych. Należy również wziąć pod uwagę to, jak liczne jest źródło, a także długowieczność, ponieważ protony i elektrony będą się rekombinować, jeśli energia nie będzie stale dostarczana, aby je rozdzielić. Podsumowując, parametr krytyczny dla dowolnego rozważanego źródła można podsumować jako „współczynnik emisji fotonów jonizujących wodór na jednostkę objętości kosmologicznej”. Biorąc pod uwagę te ograniczenia, oczekuje się, że głównymi źródłami energii były kwazary oraz gwiazdy i galaktyki pierwszej generacji .

Galaktyki karłowate

Galaktyki karłowate są obecnie głównym źródłem jonizujących fotonów w epoce rejonizacji. W większości scenariuszy wymagałoby to, aby nachylenie logarytmiczne funkcji jasności galaktyki UV , często oznaczane jako α, było bardziej strome niż obecnie, zbliżając się do α = -2.

W 2014 r. dwa oddzielne źródła zidentyfikowały dwie galaktyki zielonego groszku (GP) jako prawdopodobnie kandydatki do emisji Lyman Continuum (LyC). Sugeruje to, że te dwa GP są analogami o niskim przesunięciu ku czerwieni emiterów Lyman-alfa i LyC o wysokim przesunięciu ku czerwieni, z których znane są tylko dwa inne: Haro 11 i Tololo-1247-232 . Znalezienie lokalnych emiterów LyC ma kluczowe znaczenie dla teorii dotyczących wczesnego wszechświata i epoki rejonizacji. Ci dwaj lekarze pierwszego kontaktu mają numery referencyjne SDSS DR9: 1237661070336852109 (GP_J1219) i 1237664668421849521.

Nowe badanie pokazuje, że galaktyki karłowate dostarczały prawie 30% światła ultrafioletowego podczas procesu rejonizacji. Karły miały tak duży wpływ, ponieważ większa część jonizujących fotonów jest w stanie uciec z galaktyk karłowatych (taktowanie w 50%), w przeciwieństwie do większych galaktyk (taktowanie w zaledwie 5%). Cytując JH Wise z wywiadu dla Sky and Telescope : „Najmniejsze galaktyki najpierw dominują we wczesnych czasach; jednak w zasadzie zabijają się, wydmuchując swój gaz przez własne supernowe i ogrzewając swoje otoczenie. Później większe galaktyki (ale wciąż dużo mniejsze od Drogi Mlecznej o około 100 razy masowe) przejmują zadanie rejonizacji Wszechświata”.

Kwazary

Kwazary , klasa aktywnych jąder galaktycznych (AGN), zostały uznane za dobre źródło kandydata, ponieważ są bardzo wydajne w przekształcaniu masy w energię i emitują dużo światła powyżej progu jonizacji wodoru. Nie wiadomo jednak, ile kwazarów istniało przed rejonizacją. Tylko najjaśniejsze z kwazarów obecnych podczas rejonizacji mogą zostać wykryte, co oznacza, że ​​nie ma bezpośredniej informacji o ciemniejszych kwazarach, które istniały. Jednak patrząc na łatwiej obserwowane kwazary w pobliskim wszechświecie i zakładając, że funkcja jasności (liczba kwazarów jako funkcja jasności ) podczas rejonizacji będzie w przybliżeniu taka sama jak obecnie, można oszacować populacje kwazarów we wcześniejszych czasach. Takie badania wykazały, że kwazary nie występują w wystarczająco dużej liczbie, aby ponownie zrejonizować sam IGM, mówiąc, że „tylko jeśli tło jonizujące jest zdominowane przez AGN o niskiej jasności, funkcja jasności kwazarów może zapewnić wystarczającą ilość jonizujących fotonów”.

Populacja III gwiazdki

Symulowany obraz pierwszych gwiazd, 400 Myr po Wielkim Wybuchu .

Gwiazdy populacji III były najwcześniejszymi gwiazdami, które nie miały pierwiastków masywniejszych niż wodór czy hel . Podczas nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu jedynymi pierwiastkami, które powstały poza wodorem i helem, były śladowe ilości litu . Jednak widma kwazarów ujawniły obecność ciężkich pierwiastków w ośrodku międzygalaktycznym we wczesnej epoce. Eksplozje supernowych wytwarzają tak ciężkie pierwiastki, tak gorące, duże gwiazdy populacji III, które uformują supernowe, co jest możliwym mechanizmem rejonizacji. Chociaż nie zaobserwowano ich bezpośrednio, są one spójne według modeli wykorzystujących symulację numeryczną i bieżące obserwacje. Grawitacyjnie soczewkowana Galaxy zapewnia także pośrednie dowody gwiazd populacji III. Nawet bez bezpośrednich obserwacji gwiazd z populacji III są one przekonującym źródłem. Są one bardziej wydajnymi i efektywnymi jonizatorami niż gwiazdy populacji II, ponieważ emitują więcej jonizujących fotonów i są zdolne do samodzielnej rejonizacji wodoru w niektórych modelach rejonizacji o rozsądnych funkcjach masy początkowej . W konsekwencji gwiazdy populacji III są obecnie uważane za najbardziej prawdopodobne źródło energii, które zainicjuje rejonizację Wszechświata, chociaż prawdopodobnie inne źródła przejęły i doprowadziły rejonizację do końca.

W czerwcu 2015 roku astronomowie zgłosili dowody na istnienie gwiazd Populacji III w galaktyce Kosmos Redshift 7 przy z = 6,60 . Takie gwiazdy prawdopodobnie istniały we wczesnym wszechświecie (tj. przy dużym przesunięciu ku czerwieni) i mogły rozpocząć produkcję pierwiastków chemicznych cięższych od wodoru, które są potrzebne do późniejszego powstania planet i życia, jakie znamy.

Zobacz też

Uwagi i referencje

Linki zewnętrzne