水素は、自然界で最も単純な原子であると同時に、最も一般的な原子です。それは星を輝かせ、生命を可能にする燃料です。
今回、ブリティッシュコロンビア州にある独自の電波望遠鏡を使って研究を行っている天文学者たちは、深宇宙で水素原子がどのように分布しているかを示す、これまでで最も遠い測定を達成した。
この結果は、ビッグバン後に物質がどのように組織化され、今日私たちが知っている宇宙を構築したかについての新たな全体像を裏付けています。
「私たちが実際に追跡しているのは、巨大な銀河団や銀河群、そして宇宙の高密度構造を構成するフィラメントです」と、この研究を主導したチームの主任研究員であるブリティッシュコロンビア大学のマーク・ハルパーン教授は述べた。
彼と彼の同僚が信号をよりよく理解するために取り組んでいると、それによってより野心的なことが可能になるかもしれない、それは宇宙の膨張速度の直接測定である、と彼は述べた。これは、膨張の加速を引き起こしていると考えられている未知の現象である暗黒エネルギーの影響を測定する独立した方法を提供するでしょう。
この検出は、ブリティッシュコロンビア州ペンティクトンに拠点を置くカナダ水素強度マッピング実験（CHIME）を使用して行われました。
これは、空からの電波を受動的に収集する一連のトラフ状のアンテナで構成されています。地球が自転するにつれて、アンテナは北の空を滑空し、広大な宇宙から徐々にデータを収集します。このツールの中心となるのは、さまざまな方向から来るすべての情報を分解し、それをラジオ空の一貫した画像に変える高度なコンピューター システムです。
2017 年に初めて起動されて以来、CHIME は、パルサー (天の川銀河全体に点在する急速に回転する恒星) や高速電波バースト (私たちの銀河系をはるかに超えた銀河内のソースから発せられる、短くても強烈な電波エネルギーのバースト) など、さまざまな電波源を定期的に検出してきました。
しかし、CHIME の当初の目標は、銀河間の冷たい深さにある水素原子によって生成される、はるかに静かな拡散電波放射を検出することでした。作業開始から 9 年が経過し、このプロジェクトはこの目標を達成したようです。
月曜にアストロフィジカル・ジャーナルに掲載された2つの研究で、天文学者らは地球から約80億光年の距離で水素信号を検出したことを明らかにした。これはこれまでの測定よりもはるかに遠い。信号の分析により、宇宙で水素がどのように結晶化するのかがわかり、宇宙の大規模物質構造をマッピングするための他の方法と一般的に互換性があることが判明しました。
「これは CHIME が行うために設計された測定です」とハルパーン博士は言いました。
チームメンバーらは、天の川を周回する電子が放出する複合電波ノイズが背景の微弱な水素よりも最大1万倍強いことも一因で、この結果を達成するのは予想よりも難しかったと述べた。
「非常に微弱な信号を検出するには、非常に大きな信号を差し引く必要があります」と、このデータを扱ったトロント大学ダンラップ研究所の博士研究員アーナブ・チャクラボーティ氏は言う。
同氏は、もう一つの課題は天文台周辺の無線環境であると付け加えた。制限があるにもかかわらず、インターネットと常に接続している自動車や個人用デバイスの電子機器の普及により、人工無線干渉がますます氾濫している。
この結果を達成するために、チームは 2,000 日にわたって収集したデータから開始し、電波干渉のないわずか 94 日間までデータを短縮しました。この期間は宇宙の水素信号を検出するのに理想的な条件でした。
チャクラボルティ博士は、自分たちが見ているものが本物であることを確信するために、自分と他の人々が2年以上データを使って研究したと語った。
不要な無線ノイズを除去するために、研究チームは数十億年前に大きな水素雲間の距離がどのように変化したかを示すデータを削除する必要がありました。これが今後の分析で再現できれば、宇宙の歴史の初期の時点における暗黒エネルギーの強度を推定できるようになるでしょう。
CHIMEは、宇宙の歴史と性質を明らかにするために水素を使用する「大きな可能性を秘めた」世界中のいくつかの施設の1つであると、共同研究には参加していないウォータールー大学の天体物理学者ウィル・パーシバル氏は述べた。
「データからそれを引き起こすのは簡単なシグナルではなかった」と彼は付け加えた。 「この結果をもたらしてくれた CHIME チームには本当に感謝しています。
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