Misterija formiranja prvih galaksija u svemiru je zagonetka za istraživače. Priroda tamne materije je takođe jedna od najvažnijih misterija sa kojima se suočavaju fundamentalni fizičari. Međutim, razumevanje prirode tamne materije — na primer, da li je hladna ili topla — i njenog naknadnog uticaja na formiranje prvih galaksija predstavlja ogroman izazov.
Sada je zajednički istraživački tim sa Severoistočnog univerziteta (Kina) i Nacionalne astronomske opservatorije Kineske akademije nauka (NAOC) predložio korišćenje nove sonde kako bi pokušao da baci svetlo na prirodu tamne materije i rano formiranje galaksija istovremeno. Studija tima objavljena je u Nature Astronomi 6. jula.
Jedan od načina razumevanja tamne materije je pokušaj merenja mase čestica tamne materije kroz kosmološka posmatranja struktura malih razmera. Ali otkrivanje malih struktura u kojima nikada nije došlo do formiranja zvezda je teško, posebno tokom kosmičke zore. Na sreću, atomski gas vodonika u i oko ovih tamnih, malih struktura iz kosmičke zore stvara apsorpcione linije od 21 cm duž vidnih linija između Zemlje i izvora radio tačaka visokog crvenog pomaka. Ove apsorpcione linije su poznate kao šuma od 21 cm.
Šumska sonda od 21 cm je teoretski koncept koji se predlaže više od 20 godina, sa ciljem da se traže temperature gasova i potencijalno svojstva tamne materije tokom kosmičke zore. Naučnici do sada nisu pokušali da stvarno koriste sondu zbog brojnih izazova, uključujući izuzetno slabe signale, poteškoće u identifikaciji pozadinskih izvora visokog crvenog pomaka i degeneraciju između mase čestica tamne materije i efekta zagrevanja, što bi sprečilo sonda od ograničavanja mase čestica ili efekta zagrevanja iz prvih galaksija.
Međutim, nedavno je otkriven veliki broj radio-glasnih kvazara visokog crvenog pomaka. Pored toga, izgradnja kvadratnog kilometarskog niza (SKA) — međunarodne inicijative za izgradnju najvećeg radio-teleskopa na svetu — počela je prošlog decembra. Oba ova razvoja sugerišu da će korišćenje šumske sonde od 21 cm uskoro biti izvodljivo.
Inspirisani analizama spektra moći koje se široko koriste u kosmološkim sondama, istraživači NAOC-a su shvatili da se karakteristične zavisnosti signala od razmere izazvane efektom tople tamne materije i efektom grejanja, respektivno, mogu koristiti za statističko izdvajanje ključnih karakteristika za razlikovanje ova dva efekti.
U ovoj studiji, istraživači su predložili novo statističko rešenje za istovremeno rešavanje problema slabog signala i problema degeneracije, merenjem jednodimenzionalnog (1-D) spektra snage šume od 21 cm. Zavisnost od razmere signala otkrivena amplitudom i oblikom 1-D spektra snage čini šumsku sondu od 21 cm održivim i efikasnim sredstvom za istovremeno merenje svojstava tamne materije i termičke istorije univerzuma.
„Mjerenjem jednodimenzionalnog spektra snage šume od 21 cm, ne samo da možemo učiniti sondu stvarno izvodljivom povećanjem osjetljivosti, već i obezbijediti način da razlikujemo efekte modela tople tamne materije i ranog procesa zagrijavanja“, rekao je Ksu Iidong, odgovarajući autor studije. „Moći ćemo da ubijemo dve muve jednim udarcem.
U scenarijima gde kosmičko zagrevanje nije previše ozbiljno, niskofrekventni niz SKA faze 1 će biti sposoban da efikasno ograniči i masu čestica tamne materije i temperaturu gasa. U slučajevima kada je kosmičko zagrevanje značajnije, korišćenje više pozadinskih radio izvora tokom SKA Faze 2 omogućiće robusne mogućnosti detekcije.
Šuma od 21 cm nudi održivo sredstvo za ograničavanje tamne materije u rasponima crvenog pomaka van domašaja drugih posmatranja. Merenjem nivoa zagrevanja, šuma od 21 cm pruža način da se ograniče spektralna svojstva prvih galaksija i prvih crnih rupa, kako bi se osvetlila priroda prvih svetlih objekata u univerzumu. Korišćenje šumske sonde od 21 cm poslužiće kao nezamenjiv put za unapređenje našeg razumevanja ranog univerzuma i zavirivanja u misterije i tamne materije i prvih galaksija.
Pošto je primena šumske sonde od 21 cm usko povezana sa posmatranjem pozadinskih radio izvora visokog crvenog pomaka, sledeći korak će takođe uključivati identifikaciju više radio-svetlih izvora u kosmičko zoru (kao što su radio-glasni kvazari i prasak gama zraka naknadni sjaj) koji se može pratiti u eri SKA.
