Радиопроводник Темных веков - Dark Ages Radio Explorer

Миссия Dark Ages Radio Explorer ( DARE ) - это предложенный концептуальный лунный орбитальный аппарат, предназначенный для определения смещенных в красную сторону эманаций первобытных атомов водорода в тот момент, когда первые звезды начали излучать свет. DARE будет использовать 21-сантиметровую переходную линию с точным красным смещением от нейтрального водорода (эмиссия 1420,00 МГц), чтобы увидеть и определить формирование первых озарений Вселенной.

Кроме того, это период, завершающий темные века вселенной . Орбитальный аппарат будет исследовать Вселенную, какой она была от 80 до 420 миллионов лет после Большого взрыва . Миссия предоставит данные, касающиеся образования первых звезд, начальных скоплений черных дыр и реионизации Вселенной. Также будут протестированы компьютерные модели образования галактик .

Эта миссия может также добавить в исследование по темной материи распада. Программа DARE также предоставит информацию для разработки и развертывания телескопов на поверхности Луны, которые будут способствовать более совершенному исследованию экзопланет близлежащих звезд. Ожидается, что он будет запущен в 2023 году.

Фон

Период после рекомбинации, но до образования звезд и галактик, известен как «темные века». В это время большая часть вещества во Вселенной состоит из нейтрального водорода. Этот водород еще предстоит наблюдать, но в настоящее время проводятся эксперименты по обнаружению линии водорода, образовавшейся в то время. Линии водорода получает , когда электрон в нейтральном водородном атоме в возбужденной к состоянию , когда электрон и протон имеют выровненные спины , или де-возбуждаемые как электронные и спины протонов идут от выровнено с анти-выровнено. Разница в энергии между этими двумя сверхтонкими состояниями составляет электрон-вольт с длиной волны 21 сантиметр. Иногда, когда нейтральный водород находится в термодинамическом равновесии с фотонами космического микроволнового фона (CMB), нейтральный водород и CMB считаются «связанными», и линия водорода не наблюдается. Линию водорода можно наблюдать только тогда, когда две температуры различаются или не связаны друг с другом.

Теоретическая мотивация

В результате Большого взрыва образовалась горячая, плотная и почти однородная Вселенная. Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, образовывались частицы , затем ядра и, наконец, атомы . При красном смещении около 1100, что эквивалентно примерно 400000 годам после Большого взрыва , когда первичная плазма, заполняющая Вселенную, остыла достаточно, чтобы протоны и электроны объединились в нейтральные атомы водорода, Вселенная стала оптически тонкой, в результате чего фотоны из этой ранней эпохи больше не взаимодействовал с материей . Сегодня мы обнаруживаем эти фотоны как космический микроволновый фон (CMB). CMB показывает, что Вселенная все еще была удивительно гладкой и однородной.

После того, как протоны и электроны объединились, чтобы произвести первые атомы водорода, Вселенная состояла из почти однородной, почти полностью нейтральной межгалактической среды (IGM), в которой преобладающим компонентом вещества был газообразный водород. В отсутствие источников света они известны как Темные века. Теоретические модели предсказывают, что в течение следующих нескольких сотен миллионов лет гравитация медленно конденсировала газ в более плотные и более плотные области, в которых в конечном итоге появились первые звезды, отмечая Космический рассвет.

По мере того, как формировалось больше звезд и собирались первые галактики, они наводняли Вселенную ультрафиолетовыми фотонами, способными ионизировать газообразный водород. Через несколько сотен миллионов лет после Cosmic Dawn первые звезды произвели достаточно ультрафиолетовых фотонов, чтобы реионизировать практически все атомы водорода во Вселенной. Эта эпоха реионизации - знаковое событие для этого раннего поколения галактик, знаменующее фазовый переход IGM обратно в почти полностью ионизированное состояние.

Начало структурной сложности во Вселенной ознаменовало примечательное преобразование, но мы еще не исследовали его с помощью наблюдений. Отодвинувшись еще дальше, чем может увидеть телескоп Хаббла, можно будет изучить поистине первые структуры во Вселенной. Теоретические модели предполагают, что существующие измерения начинают исследовать хвостовую часть реионизации , но первые звезды и галактики в Темные века и Космический рассвет в настоящее время находятся за пределами нашей досягаемости.

DARE проведет первые измерения рождения первых звезд и черных дыр, а также измерит свойства невидимого в противном случае звездного населения. Такие наблюдения необходимы для размещения существующих измерений в надлежащем контексте и для понимания того, как первые галактики выросли из структур более ранних поколений.

Миссия

Подход DARE заключается в измерении спектральной формы усредненного по небу сигнала с красным смещением 21 см в полосе частот 40–120 МГц, наблюдая диапазон красных смещений 11–35, что соответствует 80–420 миллионам лет после Большого взрыва. DARE вращается вокруг Луны в течение 3 лет и собирает данные над обратной стороной Луны, единственным местом во внутренней Солнечной системе, которое, как было доказано, свободно от антропогенных радиочастотных помех и какой-либо значительной ионосферы.

Этот научный инструмент устанавливается на шину ВЧ-спутника космического корабля и состоит из трехэлементного радиометра, включающего электрически короткие, конические, биконические дипольные антенны , приемник и цифровой спектрометр. Плавная частотная характеристика антенн и метод дифференциальной спектральной калибровки, используемый для DARE, эффективны при удалении интенсивных космических передних планов, так что можно обнаружить слабый космический 21-сантиметровый сигнал.

Похожие проекты

Помимо DARE, для изучения этой области предлагаются и другие подобные проекты, такие как Precision Array для исследования эпохи реионизации (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR), Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT). , и Эксперимент с большой апертурой для определения темных веков (LEDA).

Смотрите также

использованная литература

Всеобщее достояние Эта статья включает в себя материалы, являющиеся  общественным достоянием, из документа Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства : « Документ DARE о достижениях в космических исследованиях сейчас в печати» .

дальнейшее чтение

внешние ссылки