Radio teleskopi më i madh në botë mund të zbulojë sekretet e materies së errët

Një tipar i përthithjes së dritës nga hidrogjeni që rrethon galaktikat e hershme mund të përdoret si një sondë e re e re në misteret e materies së errët dhe se si ajo ndikoi në evolucionin e universit gjatë epokave të errëta kozmike.

Shkencëtarët kanë teorizuar prej kohësh se materia e errët, një substancë misterioze që përbën rreth 85% të materies në univers, ka luajtur një rol të madh në formimin e galaktikave të hershme. Por për shkak se materia e errët nuk ndërvepron me dritën (ndryshe nga materia “normale” që përbën yjet, planetët dhe ne”), natyra e saj mbetet e panjohur. Kjo do të thotë se roli i saktë që luajti kur galaktikat filluan të formoheshin, mbetet një hendek në modelet kozmologjike.

Për të hetuar këtë enigmë, shkencëtarët nga Universiteti Verilindor në Kinë dhe Observatorët Kombëtarë Astronomikë të Akademisë së Shkencave Kineze (NAOC) kanë sugjeruar një sondë të re për të hedhur dritë mbi natyrën e materies së errët dhe formimin e hershëm të galaktikave.

Një mënyrë e mundshme për të hetuar grimcat që përbëjnë lëndën e errët dhe masën e tyre ka qenë duke studiuar strukturat në shkallë të vogël në univers. Problemi vjen kur përpiqemi ta bëjmë këtë për një periudhë të quajtur “agimi kozmik”, rreth 380 milionë vjet pas Big Bengut, një kohë kur yjet më të hershëm sapo kishin lindur. Pra, kishte pak burime të qëndrueshme drite për të ndriçuar këtë epokë të lashtë për astronomët.

Por ka pasur atome gjatë kësaj epoke, në formën e një gazi të elementit kimik më të lehtë, hidrogjenit. Si të gjithë elementët, hidrogjeni thith dritën në gjatësi vale karakteristike, duke lënë gjurmët e gishtave në dritën që kalon nëpër të.

Gazi atomik i hidrogjenit brenda dhe rreth strukturave në shkallë të vogël që ekzistonin gjatë agimit kozmik, i cili përfundoi rreth një miliard vjet pas Big Bengut, krijon linjat karakteristike të absorbimit në 21 centimetra, në rrezen radio të spektrit elektromagnetik. Këto quhen kolektivisht pylli 21 cm, i cili është propozuar si një sondë e mundshme e temperaturës së gazit dhe lëndës së errët gjatë agimit kozmik për më shumë se 20 vjet.

Ky ka mbetur vetëm një koncept teorik, megjithatë, për faktin se drita nga kjo epokë ka udhëtuar për rreth 13.4 miliardë vjet për të arritur tek ne. Gjatë rrugës, ajo ka humbur energjinë dhe ka zgjatur gjatësinë e valës dhe është ulur frekuenca e saj, duke e zhvendosur atë poshtë spektrit elektromagnetik drejt rajonit të kuq dhe më gjerë në infra të kuqe.

Sa më i largët të jetë burimi i dritës, aq më ekstrem është ky proces i “zhvendosjes së kuqe”. Me mungesën e dritës së yjeve, përdorimi i pyllit 21 cm si një sondë e materies së errët kërkon që burimet me zë të lartë radio si kuazarët të shihen në agim kozmik dhe kështu në zhvendosje të lartë të kuqe. Por sinjalet nga burime të tilla radio në këtë epokë janë të zbehta dhe këto burime të sfondit me zhvendosje të lartë të kuqe janë të vështira për t’u identifikuar.

Megjithatë, kjo situatë mund të ndryshojë. Jo vetëm që një numër kuazarësh radio me zë të lartë me zhvendosje të lartë të kuqe janë zbuluar kohët e fundit, por radio teleskopi më i madh në botë, Vargu Kilometer katror (SKA), filloi ndërtimin në Australi dhe Afrikën e Jugut në dhjetor 2022 dhe së shpejti do të hapë syrin e tij të ndjeshëm radio në univers. Kjo sugjeron se zbulimi dhe përdorimi i pyllit 21 cm mund të jetë së shpejti i realizueshëm.

Ekipi që qëndron pas studimit të ri mendon se matja e shpërndarjes së energjisë së pyllit 21 cm, ose “spektrit të tij të fuqisë”, do ta bëjë atë një sondë të besueshme për të matur njëkohësisht vetitë e materies së errët dhe historinë termike të universit.

Kjo mund t’i ndihmojë studiuesit të bëjnë dallimin midis një modeli të materies së errët të ftohtë të universit – “një me grimca masive të materies së errët që lëvizin ngadalë në krahasim me shpejtësinë e dritës” – “dhe një modeli të nxehtë të materies së errët, me grimca të materies së errët më të lehta dhe më të shpejta.

“Duke matur spektrin e fuqisë njëdimensionale të pyllit 21 cm, ne jo vetëm që mund ta bëjmë sondën realisht të realizueshme duke rritur ndjeshmërinë, por gjithashtu të ofrojmë një mënyrë për të dalluar efektet e modeleve të materies së errët të ngrohtë dhe procesit të ngrohjes së hershme,” tha studiuesi i Observatorëve Kombëtarë Astronomikë Yidong Xu, autori përkatës i studimit të ri. “Ne do të mund të vrasim dy zogj me një gur!”

Për sa kohë që ngrohja kozmike nuk ishte shumë ekstreme gjatë agimit kozmik, aftësitë me frekuencë të ulët të fazës 1 të operacioneve të SKA duhet të nënkuptojnë se shkencëtarët mund të kufizojnë masën e grimcave të materies së errët dhe temperaturën e gazit. Nëse ngrohja kozmike ishte shumë e madhe, atëherë faza e dytë e SKA do ta shohë instrumentin të zmadhuar, duke çuar në përdorimin e burimeve të shumta radiofonike në sfond që ofrojnë të njëjtat kufizime.

Duke qenë se përdorimi i mundshëm i pyllit 21 cm si një sondë e materies së errët është i lidhur me vëzhgimet e burimeve radiofonike të sfondit me zhvendosje të lartë të kuqe, hapi tjetër në këtë kërkim është identifikimi i më shumë burimeve radio-të ndritshme gjatë agimit kozmik, duke përfshirë më shumë kuazarë me zë të lartë radio dhe shkëlqimet e mëpasme të shpërthimeve të rrezeve gama.

Këto burime më pas mund të ndiqen sapo SKA të fillojë të vëzhgojë universin në vitin 2027, duke lejuar kështu astronomët të hedhin më shumë dritë mbi misteret e materies së errët dhe galaktikave të para.