สี่ปีผ่านไป การทดลองใหม่ไม่เห็นสัญญาณของ ‘Cosmic Dawn’

นักดาราศาสตร์กำลังมองหาความสว่างของคลื่นวิทยุที่จะเป็นจุดเปลี่ยนของจักรวาลจากยุคมืดของจักรวาลไปสู่รุ่งอรุณของจักรวาล

ESA / Christophe Carreau / แหล่งวิทยาศาสตร์

ในปี 2018 นักดาราศาสตร์ที่ใช้เสาอากาศชื่อ EDGES ในเขตชนบทห่างไกลของออสเตรเลีย รายงานว่าคลื่นวิทยุในความถี่ใดความถี่หนึ่งนั้นหรี่แสงได้มากเมื่อเทียบกับคลื่นอื่นๆ ที่มาจากท้องฟ้ายามค่ำคืน การค้นพบนี้ ตีพิมพ์ในนิตยสาร Nature ได้รับการประกาศว่าเป็นสัญญาณที่ก้าวล้ำตั้งแต่กำเนิดดาวฤกษ์ดวงแรกหลังบิ๊กแบง ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ขนานนามว่า “รุ่งอรุณแห่งจักรวาล” ซึ่งน่าจะประทับลายเซ็นดังกล่าวไว้ในแสง

ยิ่งไปกว่านั้น การลดลงในสเปกตรัมวิทยุที่ EDGES สังเกต ดูแตกต่างอย่างมากจากที่นักจักรวาลวิทยาคาดการณ์ไว้ ข้อมูลบ่งชี้ว่าเอกภพยุคแรกนั้นเย็นจนน่าตกใจ ทำให้เกิดกิจกรรมทางทฤษฎีมากมาย และพยายามยืนยันสัญญาณโดยนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ทั่วโลก

วันนี้ หนึ่งในทีมดังกล่าวที่สถาบันวิจัยรามันในบังกาลอร์ ประเทศอินเดีย ได้เผยแพร่ผลการค้นหาจุ่ม EDGES โดยใช้เสาอากาศวิทยุที่เรียกว่า SARAS นักดาราศาสตร์ได้วางเสาอากาศไว้ที่ทะเลสาบห่างไกลแห่งหนึ่งในอินเดียในช่วงต้นปี 2020 โดยลดการเก็บรวบรวมข้อมูลของพวกเขาให้สั้นลง และกลับสู่บังกาลอร์หลายชั่วโมงก่อนการล็อกดาวน์จากโควิด-19 ทั่วเมืองจะเริ่มต้นขึ้น หลังจากใช้ช่วงการระบาดใหญ่ในการวิเคราะห์ข้อมูล ทีม SARAS ได้ รายงานใน Nature Astronomy ว่าพวกเขาไม่พบร่องรอยของการจุ่มที่ EDGES สังเกต

“มันควรจะทำซ้ำในข้อมูลของพวกเขาถ้ามันอยู่บนท้องฟ้าจริงๆ” Aaron Parsons นักดาราศาสตร์วิทยุจาก University of California, Berkeley กล่าวซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการทดลองทั้งสองอย่างกล่าว “ฉันไม่เห็นมีห้องเลื้อยมากมายที่นั่น”

Judd Bowman ผู้นำของการทดลอง EDGES ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนา กล่าวว่า จำเป็นต้องมีการทำงานเพิ่มเติมเพื่อแก้ไขปัญหา “เรารู้สึกตื่นเต้นที่เห็นผลจากการสังเกตครั้งแรกของพวกเขา” เขาเขียนในอีเมล และเสริมว่า “เนื่องจากความยากลำบากในการสังเกตประเภทเหล่านี้ มีกระบวนการมากมายที่รออยู่ข้างหน้าในการประเมินและรวมงานใหม่นี้เข้ากับการดำเนินการอย่างต่อเนื่อง ตรวจสอบ.”

อะตอมของไฮโดรเจนดูดซับและปล่อยคลื่นวิทยุโดยธรรมชาติด้วยความยาวคลื่น 21 เซนติเมตร; เป็นคลื่นที่ EDGES และ SARAS ตั้งเป้าที่จะตรวจจับ ระหว่างการเดินทางมายังโลก คลื่นจะขยายออกไปตามการขยายตัวของจักรวาล คลื่นจากเมฆไฮโดรเจนที่อยู่ห่างไกลออกไปจะขยายตัวเป็นเวลานานขึ้นและมาถึงโลกด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกว่าคลื่นที่ปล่อยออกมาเมื่อเร็วๆ นี้โดยเมฆที่อยู่ใกล้ๆ การยืดของแสงทำให้นักดาราศาสตร์บันทึกเหตุการณ์ในประวัติศาสตร์จักรวาลไว้ด้วยเวลา

นักดาราศาสตร์ใช้การแผ่รังสี 21 ซม. เพื่อศึกษากาแลคซีใกล้เคียงมานานกว่าครึ่งศตวรรษ แต่เมื่อไม่นานมานี้ ด้วยการทดลองอย่าง EDGES และ SARAS พวกเขาได้เริ่มวัดความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งถูกบดบังด้วยคลื่นวิทยุทางบกและทางช้างเผือก เพื่อค้นหาการปล่อยก๊าซไฮโดรเจนจากเมฆไฮโดรเจนที่อยู่ลึกลงไปในอดีต

รูปถ่ายของเสาอากาศสำหรับ EDGES ซึ่งตั้งอยู่ในออสเตรเลียตะวันตกอันห่างไกล

เสาอากาศ EDGES ทางซ้าย รวบรวมข้อมูลจากออสเตรเลียตะวันตกที่อยู่ห่างไกล ในขณะที่เสาอากาศ SARAS ลอยอยู่บนทะเลสาบแห่งหนึ่งในอินเดีย

โลโค่ แล็บ ; มารยาทของ Saurabh Singh

เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนก่อตัวขึ้นเป็นครั้งแรก พวกมันดูดซับและปล่อยรังสีโดยรอบ 21 เซนติเมตรในอัตราที่เท่ากัน ซึ่งทำให้เมฆไฮโดรเจนที่ปกคลุมจักรวาลดึกดำบรรพ์ล่องหนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แล้วรุ่งอรุณแห่งจักรวาลก็มาถึง รังสีอัลตราไวโอเลตจากดาวฤกษ์ดวงแรกกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของอะตอมซึ่งทำให้อะตอมของไฮโดรเจนสามารถดูดซับคลื่นขนาด 21 เซนติเมตรได้มากกว่าที่ปล่อยออกมา เมื่อมองจากโลก การดูดกลืนที่มากเกินไปนี้จะปรากฏเป็นความสว่างที่ลดลงที่ความยาวคลื่นวิทยุเฉพาะซึ่งทำเครื่องหมายช่วงเวลาที่ดวงดาวเปิดขึ้น

ในเวลาต่อมา ดาวฤกษ์ดวงแรกก็ยุบตัวเป็นหลุมดำ ก๊าซร้อนที่หมุนรอบหลุมดำเหล่านี้สร้างรังสีเอกซ์ที่ทำให้เมฆไฮโดรเจนร้อนทั่วทั้งจักรวาล เพิ่มอัตราการปล่อยก๊าซเรือนกระจก 21 เซนติเมตร เราจะสังเกตสิ่งนี้เป็นการเพิ่มความสว่างที่ความยาวคลื่นวิทยุสั้นกว่าเล็กน้อยของแสงแบบเก่าเล็กน้อย ผลลัพธ์ที่ได้คือความสว่างที่ลดลงในช่วงความยาวคลื่นวิทยุที่แคบ เช่นเดียวกับที่ EDGES ตรวจพบ

แต่การจุ่มที่สังเกตได้ซึ่งเกิดขึ้นรอบความยาวคลื่น 4 เมตร ไม่ใช่สิ่งที่นักจักรวาลวิทยาเชิงทฤษฎีคาดไว้: เวลาและรูปร่างของรางน้ำถูกปิด แสดงว่าดาวดวงแรกเปิดขึ้นเร็วอย่างน่าประหลาดใจ และรังสีเอกซ์ก็ท่วมจักรวาลในไม่ช้า หลังจากนั้น คนแปลกหน้ายังคง จุ่มมีความเด่นชัดมาก บ่งบอกว่าไฮโดรเจนในเอกภพยุคแรกนั้นเย็นกว่าแบบจำลองทางทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้ อาจเป็นเพราะปฏิสัมพันธ์ที่แปลกใหม่กับสสารมืดที่ปกคลุมจักรวาล

หรือบางทีการจุ่ม EDGES มีต้นกำเนิดทางโลกมากกว่า

การปล่อยไฮโดรเจน 21 เซนติเมตรจากยุครุ่งอรุณของจักรวาลมาถึงโลกด้วยความยาวคลื่นหลายเมตร ในช่วงที่ใช้สำหรับวิทยุ FM และออกอากาศทางโทรทัศน์ นั่นคือเหตุผลที่ EDGES ทำงานในพื้นที่ห่างไกล ยิ่งกว่านั้น สัญญาณถูกครอบงำโดยการปล่อยคลื่นวิทยุที่สว่างกว่าดาราจักรของเราหลายพันเท่า และมันถูกบิดเบือนโดยการส่งผ่านของมันผ่านชั้นบนของชั้นบรรยากาศของโลก

ความสำคัญไม่น้อยไปกว่าผลกระทบที่ละเอียดอ่อนจากเสาอากาศเอง สภาพแวดล้อมของเสาอากาศวิทยุสามารถเปลี่ยนพื้นที่ของท้องฟ้ายามค่ำคืนให้มีความอ่อนไหวได้เล็กน้อย ในการทดลองที่แม่นยำเช่นนี้ แม้แต่แสงสะท้อนจางๆ จากพื้นผิวที่อยู่ห่างออกไปหลายสิบเมตรก็มีความสำคัญ ผลกระทบของการสะท้อนดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นที่ความยาวคลื่นวิทยุบางช่วง ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในพื้นที่สังเกตของเสาอากาศ และอาจส่งผลให้ความสว่างที่วัดได้ในช่วงความยาวคลื่นต่างกัน

ทีมงาน EDGES ได้เห็นการกระเพื่อมแบบนี้ในข้อมูลของพวกเขา และผู้กระทำผิดหลักที่อาจเหมาะสมคือขอบของตะแกรงโลหะกว้าง 30 เมตรที่วางอยู่บนพื้นรอบๆ เสาอากาศ เพื่อป้องกันการปล่อยคลื่นวิทยุจากพื้นดินเอง ทีมงานได้แก้ไขการสะท้อนที่เป็นไปได้จากขอบเหล่านี้ในการวิเคราะห์ แต่ตามที่นักดาราศาสตร์บางคนระบุไว้ในขณะนั้น หากการแก้ไขนั้นผิดไปจากเดิมเล็กน้อย ผลลัพธ์ก็อาจลดลงในความสว่างของพื้นหลังในช่วงความยาวคลื่นแคบซึ่งแยกไม่ออกจากจักรวาลจริง สัญญาณรุ่งอรุณ

ทีมงาน SARAS ได้ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปในการออกแบบเสาอากาศโดยแสวงหาความไวที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้นในทุกช่วงความยาวคลื่น “ปรัชญาการออกแบบทั้งหมดคือการรักษาความเรียบของสเปกตรัมนั้นไว้” Saurabh Singh หัวหน้าผู้เขียนรายงานของ SARAS กล่าว เสาอากาศซึ่งเป็นกรวยอะลูมิเนียมที่ติดอยู่บนแพโฟม ถูกลอยอยู่กลางทะเลสาบที่เงียบสงบ เพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่มีแสงสะท้อนใดๆ ในแนวนอนเกิน 100 เมตร ซึ่งพาร์สันส์เรียกว่า “แนวทางที่เจ๋งและสร้างสรรค์จริงๆ” นอกจากนี้ ความเร็วของแสงในน้ำที่ช้ายังช่วยลดผลกระทบจากการสะท้อนจากก้นทะเลสาบ และความหนาแน่นที่สม่ำเสมอของน้ำทำให้การสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมง่ายขึ้นมาก

ในท้ายที่สุด ทีม SARAS ได้ตรวจวัดสเปกตรัมที่ราบรื่นซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 4 เมตร โดยที่ EDGES ไม่เห็นสัญญาณของการจุ่มลึก (ไม่ว่าจะมีการลดลงหรือไม่ก็ตาม Parsons เน้นย้ำว่าทีม SARAS จะต้องทำงานมากขึ้นเพื่อทำความเข้าใจรายละเอียดปลีกย่อยของการวัดของตนเอง)

H. Cynthia Chiang นักดาราศาสตร์วิทยุที่มหาวิทยาลัย McGill ในมอนทรีออลซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการทดลองใด ๆ กล่าวว่าทั้ง EDGES และ SARAS มีขั้นตอนการสอบเทียบและวิเคราะห์อย่างละเอียดถี่ถ้วน และเร็วเกินไปที่จะบอกว่าผลลัพธ์ใดถูกต้อง “ระดับของความขัดแย้งเพียงพอที่จะทำให้ผู้คนไม่สบายใจ แต่ฉันคิดว่ามันยังห่างไกลจากจุดสิ้นสุดของเรื่องราว” เธอกล่าว “จากมุมมองของฉัน มันเพิ่มความน่าตื่นเต้น” เธอเป็นผู้นำการทดลองติดตามอีกชื่อหนึ่งที่เรียกว่า PRIZM ซึ่งจะดำเนินการบนเกาะเล็กๆ ทางตอนใต้สุดของแอฟริกาใต้ 1,000 กิโลเมตร ที่ซึ่งการรบกวนทางวิทยุภาคพื้นดินซึ่งเป็นความท้าทายหลักของ SARAS นั้นแทบไม่มีอยู่เลย

Parsons คาดว่าผลลัพธ์ที่เป็นโมฆะของ SARAS จะคงอยู่ ถ้าเป็นเช่นนั้น นั่นอาจหมายความว่าสัญญาณรุ่งอรุณของจักรวาลนั้นจางเกินไปสำหรับเครื่องมือปัจจุบันที่จะทำออกมา “แต่ฉันไม่คิดว่านั่นควรพรากจากนวัตกรรมจำนวนมาก [EDGES] ที่มีอยู่ในการผลักดันด้านนี้ไปข้างหน้า” เขากล่าว

ที่มา: https://www.quantamagazine.org/in-new-experiment-astronomers-see-no-sign-of-cosmic-dawn-20220228/

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น