Το τηλεσκόπιο CHIME χαρτογραφεί το αρχαιότερο υδρογόνο στο Σύμπαν

Σύνοψη

• Το καναδικό ραδιοτηλεσκόπιο CHIME κατάφερε για πρώτη φορά να ανιχνεύσει την αρχαιότερη λάμψη υδρογόνου αποκλειστικά με δικά του δεδομένα, χωρίς τη βοήθεια άλλων παρατηρητηρίων.
• Η ανακάλυψη αφορά την κατανομή του αερίου στο Σύμπαν όταν αυτό μετρούσε περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια ζωής, ανοίγοντας νέους δρόμους για τη μελέτη της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας.
• Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές οπτικές έρευνες γαλαξιών, η νέα ραδιοφωνική μέθοδος κοστίζει ελάχιστα και επιτρέπει την παρατήρηση του διαστήματος σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.
• Οι ερευνητές χρειάστηκαν πάνω από έναν χρόνο εντατικών ελέγχων για να επιβεβαιώσουν ότι το ασθενές ραδιοφωνικό σήμα δεν προέρχεται από επίγειες παρεμβολές αλλά από τα βάθη του διαστήματος.

Το τηλεσκόπιο CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) πέτυχε ένα εντυπωσιακό ορόσημο, εντοπίζοντας για πρώτη φορά τη λάμψη του υδρογόνου από την περίοδο όπου το Σύμπαν διάνυε τα πρώτα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια της ύπαρξης του, βασιζόμενο αποκλειστικά στις δικές του, αυτόνομες μετρήσεις. 

Η σχετική δημοσίευση περιγράφει λεπτομερώς τον τρόπο με τον οποίο η ομάδα κατάφερε να απομονώσει το ασθενές ραδιοφωνικό σήμα του πιο άφθονου στοιχείου μέσα από έναν κυκεώνα συντριπτικού θορύβου που προέρχεται τόσο από ανθρώπινες δραστηριότητες όσο και από το ίδιο το επιστημονικό όργανο.

Η σημασία της αυτόνομης χαρτογράφησης και η μελέτη της Σκοτεινής Ενέργειας

Το ραδιοτηλεσκόπιο CHIME πέτυχε την αυτόνομη χαρτογράφησή του συλλέγοντας δεδομένα από 94 νύχτες παρατήρησης το 2019, αποδεικνύοντας ότι το 2% του υδρογόνου στο πρώιμο Σύμπαν βρισκόταν σε ουδέτερη ατομική μορφή. Αυτή η εξέλιξη παρέχει στους αστροφυσικούς μια ανεξάρτητη μέθοδο ελέγχου των θεωριών γύρω από τη Σκοτεινή Ενέργεια, χωρίς να απαιτείται διασταύρωση με δαπανηρές οπτικές παρατηρήσεις γαλαξιών.

Ιστορικά, η επιστημονική κοινότητα βασιζόταν σε κοστοβόρες έρευνες γαλαξιών οι οποίες χρησιμοποιούν το φως για να ερευνήσουν λεπτομερώς τις δομές του Διαστήματος, εστιάζοντας κυρίως στις περιοχές εκείνες που είναι αρκετά θερμές και πυκνές ώστε να επιτρέπουν τον σχηματισμό νέων άστρων. Από την άλλη, η καινοτόμος προσέγγιση του συστήματος CHIME εστιάζει στην καταγραφή της συνδυασμένης ραδιοφωνικής εκπομπής που παράγει το ίδιο το υδρογόνο. Το τεράστιο πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας έγκειται στο γεγονός ότι επιτρέπει στο τηλεσκόπιο να εξερευνά αχανείς εκτάσεις του Διαστήματος πολύ πιο πίσω στον χρόνο και με ένα απειροελάχιστο κλάσμα του κόστους. 

Ο Dr. Arnab Chakraborty, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο που πρότεινε πρώτος το σχετικό εύρημα, εξηγεί πως η αμυδρή εκπομπή του υδρογόνου λειτουργεί πρακτικά ως ένας κοσμικός ιχνηλάτης ο οποίος αποκαλύπτει με τεράστια ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο η ύλη κατανέμεται στον διαστημικό χώρο. Η επιτυχής ανίχνευση του σήματος απαίτησε τεράστια υπομονή και αυστηρότητα εκ μέρους της ερευνητικής ομάδας. Οι επιστήμονες αφιέρωσαν περισσότερο από έναν χρόνο σε ελέγχους προκειμένου να διασφαλίσουν πως δεν πρόκειται για κάποιον ψευδή συναγερμό ή για ραδιοφωνική παρεμβολή γήινης προέλευσης. 

Ο Dr. Mark Halpern, καθηγητής στο τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας και κύριος ερευνητής, υπογραμμίζει πως η νέα τεχνική παρατήρησης προέρχεται από ένα όργανο που σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και χρηματοδοτήθηκε εξ ολοκλήρου στον Καναδά. Αυτή η λειτουργική ανεξαρτησία επιτρέπει πλέον στην επιστημονική κοινότητα να αξιολογήσει αυτόνομα τις αντικρουόμενες θεωρίες που αφορούν τη φύση της Σκοτεινής Ενέργειας. Η αόρατη δύναμη που θεωρείται υπεύθυνη για την ολοένα και επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής, ενώ κάθε νέο εργαλείο που προστίθεται στη διάθεση των ερευνητών φέρνει την ανθρωπότητα ένα βήμα πιο κοντά στην οριστική κατανόησή της.

Ο ρόλος του υδρογόνου στο σχηματισμό των γαλαξιών

Καθώς οι αστρονόμοι εμβαθύνουν στην ανάλυση του συλλεχθέντος ραδιοφωνικού σήματος, προκύπτουν εξαιρετικά σημαντικά συμπεράσματα για την κατάσταση της ύλης δισεκατομμύρια χρόνια πριν από τη σημερινή πραγματικότητα. Σύμφωνα με τον Dr. Shabbir Shaikh από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, οι μετρήσεις συνάδουν απόλυτα με προηγούμενες εκτιμήσεις που ήθελαν περίπου το δύο τοις εκατό της συνολικής ποσότητας υδρογόνου στο Σύμπαν να βρίσκεται στη βασική του, ουδέτερη ατομική μορφή. Η μέτρηση της κατανομής και της ομαδοποίησης αυτού του πρωταρχικού αερίου προσφέρει ένα εντελώς νέο πρίσμα μέσα από το οποίο οι ερευνητές μπορούν να δοκιμάσουν, να διαψεύσουν ή να βελτιώσουν τα θεωρητικά τους μοντέλα αναφορικά με τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες κατά την πάροδο των κοσμικών αιώνων. Το γεγονός ότι όλα αυτά επιτυγχάνονται χωρίς τη χρήση παραδοσιακών οπτικών τηλεσκοπίων, αλλά μέσω ενός δικτύου σταθερών κεραιών που μοιάζουν με ράμπες για skateboard, καθιστά το τεχνολογικό επίτευγμα ακόμη πιο ρηξικέλευθο.

Το τηλεσκόπιο CHIME, το οποίο φιλοξενείται από το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας του Καναδά (NRC) κοντά στο Penticton της Βρετανικής Κολομβίας, χαρτογραφεί καθημερινά ολόκληρο τον βόρειο ουρανό αξιοποιώντας στο έπακρο την τεράστια συλλεκτική του επιφάνεια. Το παραπάνω κατόρθωμα βασίστηκε αποκλειστικά σε δεδομένα που συγκεντρώθηκαν πολύ νωρίς κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του, ωστόσο, η ερευνητική ομάδα διαθέτει πλέον έναν όγκο παρατηρήσεων που αγγίζει τα επτά συνεχόμενα χρόνια. Αυτός ο πλούτος δεδομένων ανοίγει την όρεξη για αναλύσεις ακόμη πιο μακρινών εποχών, με τις μελλοντικές προσπάθειες να επικεντρώνονται στην επέκταση της έρευνας σε χρονικές περιόδους όπου το Σύμπαν είχε ηλικία μόλις τριών δισεκατομμυρίων ετών. Στόχος τους παραμένει η λεπτομερής χαρτογράφηση του χαοτικού περιβάλλοντος μέσα στο οποίο άρχισαν να αναδύονται οι πρώτες μεγάλες κοσμικές δομές, θέτοντας τα θεμέλια για τη δημιουργία του Σύμπαντος όπως το αντιλαμβανόμαστε σήμερα.

Η υπέρβαση των τεχνολογικών εμποδίων στη ραδιοαστρονομία

Όταν οι αστρονόμοι προσπαθούν να παρατηρήσουν φαινόμενα που έλαβαν χώρα δισεκατομμύρια χρόνια στο παρελθόν, έρχονται διαρκώς αντιμέτωποι με το φαινόμενο της μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift). Η ασταμάτητη επέκταση του ίδιου του χωροχρόνου τεντώνει τα μήκη κύματος του φωτός και των ραδιοφωνικών εκπομπών, μετατοπίζοντας τα σταθερά σε χαμηλότερες συχνότητες μέχρι τη στιγμή που φτάνουν τελικά στους δέκτες μας στη Γη. Το ουδέτερο υδρογόνο εκπέμπει φυσιολογικά μια εξαιρετικά χαρακτηριστική ακτινοβολία σε μήκος κύματος 21 εκατοστών, η οποία όμως ανιχνεύεται από το τηλεσκόπιο CHIME σε πολύ μεγαλύτερα μήκη κύματος που αντιστοιχούν σε σημαντικά χαμηλότερες συχνότητες. Η δυνατότητα του οργάνου να καταγράφει με απόλυτη ακρίβεια αυτές τις απειροελάχιστες μεταβολές στη συχνότητα είναι αυτό ακριβώς που επιτρέπει στους επιστήμονες να δημιουργούν τρισδιάστατους χάρτες της κατανομής του αερίου, προσθέτοντας την κρίσιμη διάσταση του χρόνου στις αστρονομικές παρατηρήσεις τους.

Η ειδοποιός διαφορά αυτής της προσέγγισης σε σχέση με τις παραδοσιακές οπτικές μεθόδους παρατήρησης που χρησιμοποιούνται από διαστημικά τηλεσκόπια όπως το Hubble ή το James Webb Space Telescope είναι χαώδης. Τα τελευταία σχεδιάστηκαν προσεκτικά για να εντοπίζουν τη θερμική ακτινοβολία και το φως που εκπέμπουν τα ίδια τα άστρα μέσα στους γαλαξίες. Αντίθετα, η τεχνική της χαρτογράφησης της έντασης του υδρογόνου δεν απαιτεί τον εντοπισμό μεμονωμένων γαλαξιών έναν προς έναν, μια διαδικασία που είναι εξαιρετικά χρονοβόρα και περιορίζεται εκ των πραγμάτων μόνο στα φωτεινότερα αντικείμενα, αλλά αντίθετα συγκεντρώνει το συνολικό ραδιοφωνικό φως από τεράστιες περιοχές του ουρανού. Αυτή η συνολική καταγραφή αποκαλύπτει τις λεπτές διακυμάνσεις της πυκνότητας της ύλης στις μεγαλύτερες δυνατές κλίμακες του σύμπαντος, παρέχοντας μια ιδανική, πανοραμική εικόνα για τη μελέτη των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων και της απωστικής δράσης της Σκοτεινής Ενέργειας που προσπαθεί να διαρρήξει αυτές τις κοσμικές δομές.

Αξίζει να σημειωθεί ότι το τηλεσκόπιο CHIME στερείται παντελώς κινητών μερών και δεν κατευθύνεται μηχανικά προς συγκεκριμένους στόχους στον ουρανό. Αξιοποιεί την περιστροφή της ίδιας της Γης για να σαρώνει το σύνολο του βόρειου ημισφαιρίου, συλλέγοντας ακατάπαυστα ραδιοκύματα 24 ώρες το 24ωρο. Ο τεράστιος όγκος πληροφοριών που προκύπτει από αυτή τη συνεχή παρατήρηση καταλήγει σε έναν από τους ισχυρότερους συσχετιστές σημάτων παγκοσμίως, ένα εξειδικευμένο σύστημα υπολογιστών που επεξεργάζεται τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για να διαχωρίσει τις πολύτιμες αστροφυσικές πληροφορίες από τα αμέτρητα παράσιτα των επίγειων τηλεπικοινωνιών. 

Η εξέλιξη αυτής της τεχνικής υπόσχεται να απαντήσει με μαθηματική ακρίβεια στο αν η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος παραμένει σταθερή ή αν μεταβάλλεται κατά την πάροδο των δισεκατομμυρίων ετών.