7 Minute
Astrofizicienii au obținut o măsurătoare de temperatură deosebit de precisă a Universului așa cum era cu aproximativ șapte miliarde de ani în urmă — iar rezultatul se potrivește foarte bine cu o predicție esențială a cosmologiei Big Bang. Folosind observații de arhivă realizate cu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), o echipă japoneză a măsurat radiația cosmică de fond (CMB) la o epocă intermediară și a constatat că aceasta era de aproximativ două ori mai caldă decât astăzi.
Un termometru precis pentru istoria cosmică
Cercetătorii de la Keio University, conduși de doctorandul Tatsuya Kotani și profesorul Tomoharu Oka, au analizat pâlpâirea slabă a Big Bang-ului — radiația cosmică de fond (CMB) — nu în forma sa locală, ci așa cum ar fi arătat acum șapte miliarde de ani. Rezultatul lor: o temperatură a CMB de 5,13 K ± 0,06 K. Pentru context, radiația cosmică de fond observată în prezent are aproximativ 2,725 K, astfel că noua măsurătoare este în jurul valorii duble.
Această valoare nu este doar un simplu punct de date interesant. Modelul cosmologic standard prezice că, pe măsură ce Universul se extinde, CMB se răcește, temperatura scalând proporțional cu (1 + z), unde z este redshift‑ul. Confirmarea temperaturii CMB la epoci intermediare reprezintă un test critic al acestei dependențe şi al cadrului teoretic folosit pentru a descrie evoluția termică a Universului. Măsurători precise în intervalul de redshift intermediar (z ≈ 0.5–1, în funcție de transformarea timpului cosmic) completează datele obținute la redshift foarte mare și cele locale, oferind o vedere continuă a istoriei termice cosmice.
Cum a fost realizată măsurătoarea
Hartă a temperaturii radiației cosmice de fond măsurată de sonda Planck (ESA şi Planck Collaboration)
Echipa a exploatat spectrele arhivate ale unui quasar puternic din fundal obținute de ALMA. Lumina quasarului, pe drumul său spre noi, a traversat o galaxie prim‑plan situată în urmă cu aproximativ şapte miliarde de ani. Moleculele din acea galaxie absorb şi emit radiaţie radio în moduri care depind de câmpul de radiație ambiental — inclusiv de temperatura radiației cosmice de fond. Prin modelarea atentă a excitației moleculare — în special a semnelor asociate speciilor sensibile la „baia” CMB — cercetătorii au putut deduce temperatura de fond care a influențat populațiile de nivele moleculare.
Analiza s‑a bazat pe trăsături de absorbție înguste imprimate pe spectrul quasarului, care funcționează ca termometre foarte fine. Metoda folosește fizica moleculară bine înțeleasă (niveluri roto‑vibraționale, coeficienți Einstein A și B, rate de coliziune pentru diferite temperaturi) și date ALMA de înaltă calitate, motiv pentru care incertitudinea (±0,06 K) este impresionant de mică pentru acest interval de redshift. Modelarea a luat în considerare atât excitaţia indusă de radiaţia de fond (CMB), cât şi procesele de excitaţie coliziuneală cu electronii şi hidrogenul molecular din mediu (H2), pentru a separa efectele locale de cele cosmice.
Pozițiile relative ale quasarului din fundal (fulger luminos la 11 miliarde de ani în urmă), galaxia din prim‑plan care produce absorbţia HCN (acum 7 miliarde de ani) şi observatorul (ALMA; epoca prezentă). (Keio University)
De ce este important pentru cosmologie
Confirmarea temperaturii CMB la epoci intermediare întărește încrederea în imaginea Big Bang şi în modelul cosmologic standard (ΛCDM). Măsurătorile de la timpurile cele mai apropiate de recombinare — realizate de misiuni precum Planck şi alte experimente CMB — plus măsurătorile locale deja restrânseseră istoria termică a Universului, însă verificările la redshift intermediar erau mai rare. Acest punct nou umple un gol important şi arată că comportamentul de răcire al Universului urmează așteptările teoretice pe parcursul a miliarde de ani.
Pe lângă validarea teoriei, punctele de temperatură precise ajută la restrângerea scenariilor exotice. Orice deviație neașteptată față de legea de răcire T(z) = T0 (1 + z) ar putea semnala injecții de energie în istoria cosmică (de exemplu decăderi de particule sau fuziuni exotice), interacțiuni neobişnuite în sectorul întunecat sau alte abateri de la ΛCDM. Până acum, măsurători precum cea a lui Kotani și Oka impun limite mai stricte pentru astfel de scenarii neconvenţionale și reduc spațiul parametrilor pentru modele adiacente (cum ar fi energie întunecată dinamică, radiaţie întunecată sau conversii foton‑axion în anumite situații astrofizice).
Detalii tehnice şi interpretare
Metoda folosită combină spectroscopie de înaltă rezoluţie cu modele detaşate de excitaţie moleculară (radiative transfer). Speciile moleculare precum HCN, CN sau anumite tranziții ale CO au nivele energetice pentru care populațiile depind sensibil de radiaţia ambientală în banda milimetrică/sub‑milimetrică. Analiza implică calculul echilibrului între procesele de excitare radiativă (incluzând CMB) şi excitare coliziuneală, precum şi evaluarea opacităților liniei, a temperaturii cinetice a gazului şi a densităţilor de coliziune.
Un avantaj cheie al ALMA este combinaţia dintre sensibilitate, rezoluţie spectrală și calitatea datelor arhivate, ceea ce permite detectarea trăsăturilor de absorbție foarte înguste. Echipa a aplicat metode statistice robuste pentru a evalua erorile sistematice — de exemplu variații în abundanțele moleculare, turbulență locală și efecte de acoperire parțială a sursei — şi a inclus simulări Monte Carlo pentru a estima distribuția incertitudinilor. Rezultatele sugerează că eroarea totală raportată (±0,06 K) este plauzibilă şi că măsurătoarea este semnificativă din punct de vedere statistic la acest redshift intermediar.
Implicatii pentru viitoare observații
Acest tip de analiză deschide calea către extinderea unei serii de măsurători ale temperaturii CMB în epoci intermediare folosind ALMA și alte facilități radio/sub‑milimetrice, cum ar fi NOEMA sau, indirect, observații complementare de la VLA pentru anumite tranziții. Adunarea unui eșantion mai larg de linii de vedere şi de tranziții moleculare va permite verificări statistice mai robuste şi va reduce susceptibilitatea măsurătorilor la anomalii locale.
Pe termen lung, combinația de date spectroscopice cu cartografiere largă (de exemplu proiecte viitoare care investighează tranziţii multiple pe numeroase galaxii la redshifturi intermediare) poate produce o curbă detaliată a T(z) în intervale largi de timp cosmic. Un astfel de set de date ar putea detecta devieri foarte subtile de la legea (1 + z), ceea ce ar avea consecințe majore pentru înțelegerea componentelor energetice ale Universului și a eventualelor fenomene fizice neprevăzute.
Ce urmează?
Munca viitoare va extinde eșantionul de măsurători ale temperaturii la redshifturi intermediare, folosind ALMA și alte facilități pentru a observa tranziții moleculare diferite şi mai multe linii de vedere. Observarea mai multor tranziţii (de exemplu diferite nivele rotationale ale HCN, CN, sau anumiți izotopi de CO) oferă diagrame complementare de excitaţie care pot decupla mai bine efectele locale de cele cosmice. Aceasta va întări testele modelelor cosmologice şi ar putea evidenţia anomalii subtile dacă acestea există.
Pentru moment, rezultatul este un succes notabil: o aplicare elegantă a astrofizicii moleculare pentru a sond a istoria termică însemnată în amprenta de după Big Bang. Constrângerile rezultate contribuie la consolidarea încrederii în modelul Big Bang şi în predicțiile sale privind evoluția termică a radiației cosmice de fond, în timp ce oferă un instrument complementar important pentru cercetarea fizicii cosmologice și a materiei întunecate.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu