В космологии отображение интенсивности - это метод наблюдений для изучения крупномасштабной структуры Вселенной с использованием интегрированного радиоизлучения неразрешенных газовых облаков.
В наиболее распространенном варианте, картировании интенсивности 21 см , эмиссионная линия нейтрального водорода 21 см используется для отслеживания газа. Водород следует флуктуациям в нижележащем поле космической плотности, причем области с более высокой плотностью вызывают более высокую интенсивность излучения. Таким образом, флуктуации интенсивности можно использовать для восстановления спектра мощности флуктуаций вещества . Частота линии излучения смещается в красную сторону из-за расширения Вселенной, поэтому, используя радиоприемники, которые покрывают широкую полосу частот, можно обнаружить этот сигнал как функцию красного смещения и, следовательно, космического времени. Принципиально это похоже на обзор красного смещения галактик.с тем важным отличием, что галактики необходимо обнаруживать и измерять индивидуально, что делает картирование интенсивности значительно более быстрым методом. [1]
История
- Август 1996: Мадау, Мейксин и Рис [2] предлагают картирование интенсивности как способ исследования эпохи реионизации .
- Декабрь 2001: Бхарадвадж и Сетхи [3] предлагают использовать карты интенсивности нейтрального водорода для наблюдения за распределением вещества в эпоху после реионизации.
- Январь 2004: Бэтти, Дэвис и Веллер [4] предлагают использовать карты интенсивности 21 см для измерения темной энергии .
- Июнь 2006: Петерсон, Бандура и Пен [5] предлагают исследование водорода в сфере Хаббла.
- Март 2009: Космологический HI сигнал наблюдается впервые к красным смещениям 1.12 [6] с помощью банка телескопа Green .
- Январь 2013: Начало строительства эксперимента CHIME [7] в Британской Колумбии , Канада.
Научные приложения
Картирование интенсивности было предложено как способ измерения поля плотности космической материи в нескольких различных режимах.
Эпоха реионизации
Между времен рекомбинации и реионизации , то барионный содержание Вселенной - в основном водород - существовала в нейтральной фазе. Обнаружение эмиссии 21 см с этого времени до конца реионизации было предложено как мощный способ изучения раннего формирования структуры. [8] Этот период истории Вселенной соответствует красному смещению к , подразумевая частотный диапазон для экспериментов по картированию интенсивности 50–200 МГц.
Крупномасштабная структура и темная энергия
В более поздние времена, после реионизации Вселенной , большая часть оставшегося нейтрального водорода хранится в плотных газовых облаках, называемых затухающими системами Лайман-альфа , где он защищен от ионизирующего УФ-излучения . Они преимущественно размещены в галактиках, поэтому сигнал нейтрального водорода фактически является индикатором распределения галактик.
Как и в случае с обзорами красного смещения галактик, наблюдения по картированию интенсивности можно использовать для измерения геометрии и скорости расширения Вселенной (и, следовательно, свойств темной энергии [1] ), используя функцию барионных акустических колебаний в спектре мощности материи в качестве стандартной линейки. . Темпы роста структуры, полезно для тестирования изменений в общей теории относительности , [9] , также может быть измерена с использованием красного смещения космических искажений . Обе эти особенности обнаруживаются в больших масштабах от десятков до сотен мегапарсек , поэтому карты нейтрального водорода с низким угловым разрешением (неразрешенные) достаточно для их обнаружения. Это следует сравнить с разрешением обзора красного смещения, который должен обнаруживать отдельные галактики, которые обычно составляют всего несколько десятков килопарсек в поперечнике.
Поскольку съемка с картированием интенсивности может выполняться намного быстрее, чем обычная съемка с оптическим красным смещением, можно нанести на карту значительно большие объемы Вселенной. Таким образом, отображение интенсивности было предложено как способ измерения явлений в чрезвычайно больших масштабах, включая изначальную негауссовость от инфляции [10] и общие релятивистские поправки к корреляционной функции материи . [11]
Линии молекулярной и тонкой структуры
В принципе, любую эмиссионную линию можно использовать для построения карт интенсивности, если ее можно обнаружить. Другие эмиссионные линии, которые были предложены в качестве космологических индикаторов, включают:
Эксперименты
Следующие телескопы либо провели съемку карт интенсивности, либо планируют ее провести в будущем.
- ТЯНЛАЙ (Китай) [15]
- BINGO (Бразилия / Уругвай / Великобритания)
- CHIME (Канада)
- COMAP (США) [16]
- FAST (Китай)
- Телескоп Грин Бэнк (США)
- HIRAX (Южная Африка)
- KAT7 (Южная Африка)
- MeerKAT (Южная Африка) [17]
- Радиотелескоп Паркса (Австралия)
- БУМАГА (США / ЮАР / Австралия)
- Массив квадратных километров (Южная Африка / Австралия)
Рекомендации
- ^ Б Bull, Филипп; Феррейра, Педро Дж .; Патель, Прина; Сантос, Марио Г. (2015). «Поздняя космология с экспериментами по картированию интенсивности на 21 см». Астрофизический журнал . 803 (1): 21. arXiv : 1405.1452 . Bibcode : 2015ApJ ... 803 ... 21В . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 803/1/21 . S2CID 118350366 .
- ^ Мадау, Пьеро; Мейксин, Эйвери; Рис, Мартин Дж. (1997). «21-сантиметровая томография межгалактической среды при высоком красном смещении». Астрофизический журнал . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph / 9608010 . Bibcode : 1997ApJ ... 475..429M . DOI : 10.1086 / 303549 . S2CID 118239661 .
- ^ Бхарадвадж, Сомнатх; Сетхи, Шив К. (декабрь 2001 г.). «Колебания HI на больших красных смещениях: корреляция видимости I». Журнал астрофизики и астрономии . 22 (4): 293–307. arXiv : astro-ph / 0203269 . Bibcode : 2001JApA ... 22..293B . DOI : 10.1007 / BF02702273 . S2CID 14605700 .
- ^ Бэтти, Ричард А .; Дэвис, Род Д .; Веллер, Йохен (2004). «Обзоры нейтрального водорода для скоплений и протокластеров галактик с большим красным смещением». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 355 (4): 1339–1347. arXiv : astro-ph / 0401340 . Bibcode : 2004MNRAS.355.1339B . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08416.x . S2CID 16655207 .
- ^ Петерсон, Джеффри Б.; Бандура, Кевин; Пен, Уэ Ли (2006). "Обзор водорода в сфере Хаббла" . arXiv : astro-ph / 0606104 . Bibcode : 2006astro.ph..6104P . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Чанг, Цзы-Цзин; Пен, Уэ-Ли; Бандура, Кевин; Петерсон, Джеффри Б. (22 июля 2010 г.). «Карта интенсивности излучения водорода на 21 см при красном смещении z ≈ 0,8». Природа . 466 (7305): 463–465. Bibcode : 2010Natur.466..463C . DOI : 10,1038 / природа09187 . PMID 20651685 . S2CID 4404546 .
- ^ «Начинается строительство крупнейшего радиотелескопа Канады» . Phys.org . 2013-01-24 . Проверено 17 августа 2014 .
- ^ Лоеб, Авраам; Залдарриага, Матиас (май 2004 г.). «Измерение мелкомасштабного спектра мощности флуктуаций космической плотности с помощью 21-сантиметровой томографии до эпохи структурообразования». Письма с физическим обзором . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph / 0312134 . Bibcode : 2004PhRvL..92u1301L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.92.211301 . PMID 15245272 . S2CID 30510359 .
- ^ Холл, Алексей; Бонвин, Камилла; Чаллинор, Энтони (19 марта 2013 г.). «Проверка общей теории относительности с 21-сантиметровым картированием интенсивности». Physical Review D . 87 (6): 064026. arXiv : 1212.0728 . Bibcode : 2013PhRvD..87f4026H . DOI : 10.1103 / PhysRevD.87.064026 . S2CID 119254857 .
- ^ Камера, Стефано; Сантос, Марио Дж .; Феррейра, Педро Дж .; Феррамачо, Луис (2013). "Космология в сверхбольших масштабах с картированием интенсивности нейтрального выброса водорода 21 см: ограничения на изначальную негауссовость". Письма с физическим обзором . 111 (17): 171302. arXiv : 1305.6928 . Bibcode : 2013PhRvL.111q1302C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.171302 . PMID 24206474 . S2CID 27160707 .
- ^ Мартенс, Рой; Чжао, Гонг-Бо; Бэкон, Дэвид; Кояма, Казуя; Ракканелли, Альвизе (26 февраля 2013 г.). «Релятивистские поправки и негауссовость в обзорах радиоконтинуума». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 2013 (2): 044. arXiv : 1206.0732 . Bibcode : 2013JCAP ... 02..044M . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2013/02/044 . S2CID 21985095 .
- ^ Лидз, Адам; Furlanetto, Steven R .; Peng Oh, S .; Агирре, Джеймс; Чанг, Цзы-Цзин; Доре, Оливье; Причард, Джонатан Р. (10 ноября 2011 г.). «КАРТИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ С ЛИНИЯМИ ВЫБРОСА ОКСИДА УГЛЕРОДА И ПЕРЕМЕЩЕННОЙ ЛИНИЕЙ 21 см». Астрофизический журнал . 741 (2): 70. arXiv : 1104.4800 . Bibcode : 2011ApJ ... 741 ... 70L . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 741/2/70 . S2CID 45158086 .
- ^ Гонг, Ян; Курей, Асанта; Сильва, Марта; Сантос, Марио Дж .; Бок, Джеймс; Брэдфорд, К. Мэтт; Земцов, Михаил (январь 2012). «Картирование интенсивности линии тонкой структуры [CII] в эпоху реионизации». Астрофизический журнал . 745 (1): 49. arXiv : 1107.3553 . Bibcode : 2012ApJ ... 745 ... 49G . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 745/1/49 . S2CID 41261385 .
- ^ Pullen, Anthony R .; Доре, Оливье; Бок, Джейми (май 2014 г.). «Картирование интенсивности через космические времена с линией Lyα». Астрофизический журнал . 786 (2): 111. arXiv : 1309.2295 . Bibcode : 2014ApJ ... 786..111P . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 786/2/111 . S2CID 50979853 .
- ^ «Проект Тяньлай» . Проверено 20 февраля 2020 .
- ^ "Кэхиллская радиоастрономическая лаборатория - CRAL" . www.astro.caltech.edu . Проверено 6 ноября 2017 .
- ^ Ван, Цзинъин; Сантос, Марио Дж .; Бык, Филипп; Грейндж, Кейт; Каннингтон, Стивен; Фонсека, Хосе; Irfan, Melis O .; Ли, Ичао; Поурциду, Алкистис; Соарес, Паула С .; Спинелли, Марта (27.11.2020). «Картирование интенсивности HI с помощью MeerKAT: конвейер калибровки для автокорреляционных наблюдений с несколькими антеннами». arXiv : 2011.13789 [ astro-ph.CO ].
Внешние ссылки
- Семинар Oxford Martin по картированию интенсивности
- Дискуссионная встреча РАН по картированию интенсивности
- CHIME эксперимент