私たちの宇宙理論には、物質の半分が失われているという問題があります。しかし今、宇宙論で最も長引く謎の 1 つであるこの「失われたバリオンの問題」が解決されました。
宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の分析は、宇宙全体を均等に満たす「ビッグバン」の直後に発生したイベントから残った放射線であり、物理学者に「通常の」またはバリオン物質であることを伝えます。 、そして私たちの体 — 宇宙の全物質とエネルギーの約 5% を占めるはずです.
問題は、これまで、このバリオン物質 (本質的に私たちの周りにあるすべてのものの構成要素) の約半分が欠けていたことです。
オーストラリアの天文学者は、この失われた物質を初めて追跡するために、高速電波バーストを使用しました。その過程で、この発見は、初期宇宙における元素合成の理論と、ビッグバンの直後に宇宙がどのように発展したかという私たちの概念の両方が正しいことを確認するのに役立ちます.
チームの調査結果はジャーナル Nature に掲載されています。
目次
- 1 行方不明のバリオン物質の 20 年にわたる捜索
- 検出方法としての 2 つの高速無線バースト
- 3 タイミングがすべてです…
- 4 ASKAP で先導
- 5 不足している問題があることはわかっています。次は「そこ」がどこにあるのかを知る必要があります
行方不明のバリオン物質の 20 年にわたる捜索
これまでのところ、天文学者は、初期宇宙からのデータの分析から導き出された、私たちの宇宙のバリオンの総質量の非常に正確な推定値を使用して、この物質の探索に少なくとも 20 年を費やしてきました。
しかし、この途方もない努力にもかかわらず、宇宙のすべての物質の調査はまだ成功していません。現在の最良の測定値は、バリオン物質の約半分のみを占めており、残りの半分は実質的に欠落しています。
この失われた物質を見つける際の問題は、主にそれが非常に拡散しており、スペースが非常にまばらであるためです。 Macquart は、この物質を探すことを、平均的なオフィスサイズの部屋でほんの数個の原子を探すことと比較しています。このような拡散希薄ガスに存在するこの物質の問題は、それ自体が光を発せず、背景光が通過するときに何も吸収されないことです。
したがって、この失われた物質は「指紋」を残さず、すべての実用的な目的で目に見えません.これは、従来の望遠鏡とそれに関連する技術では、そのような拡散物質を見つけるのに十分な効果がないことを意味します。
したがって、天文学者のチームは、その物質を検出する別の方法を見つけなければなりませんでした。それは、この問題が持つ可能性のある他の影響や効果を見つけることを意味します。ここで、Fast Radio Bursts (FRB) の現象が登場します。
検出方法としての高速無線バースト
最初のファースト ラジオ バーストは 2007 年に検出され、それ以来、これらの一見ランダムな放射線の突風は、ほんの数ミリ秒しか持続せず、何度も記録されてきました。これには、今年 4 月に観測された、私たち自身の銀河系内の最初の FRB と、2018 年の最初の定期的に繰り返される FRB —名前は FRB 181112 — が含まれます。
しかし、これらの放出の実際の起源とその原因はまだわかっていません。
それらの放出に関する謎にもかかわらず、研究者は、それらの源をホスト銀河に局在化する方法と、宇宙の他の現象を測定するために FRB を利用する方法をまだ見つけています。昨年、Prochaska 自身は、FRB をプローブとして使用して拡散ガスハローを調査する研究に参加しました。研究者は、13 年前に Duncan Lorimer と彼の学生である David Narkevic が発見したまさにその時から、失われたバリオン物質の検索に FRB を使用できると信じていたと述べています。
検出を行うために、チームは分散測定と FRB の起源銀河の赤方偏移という 2 つの異なる方法を利用しました。分散測定により、研究者は遭遇した電子の数を数えることができます。これは、これらが FRB の伝播を遅くするためであり、バーストを構成するさまざまな周波数がさまざまな程度に影響を受けます。
一方、スペクトルを分析すると赤方偏移が得られ、FRB の起源銀河までの距離を効果的に測定できます。研究者は FRB が移動した「空間」の量を知る必要があるため、この後半の部分は重要です。
すべてはタイミング…
FRB は、宇宙を移動する際に遭遇するすべての原子の速度がわずかに低下するため、バリオン物質のプローブとして使用できます。これは、移動経路に沿って遭遇するすべての原子の痕跡を持っていることを意味します。それらの天文学者でさえ見ることができません。
FRB が通過する希薄なガス雲は、イオン化された原子で構成されています。これは、陽子と電子が分離され、ガス内を自由に浮遊していることを意味します。
電波がこの電離ガスを通過すると、FRB を構成するさまざまな周波数がわずかに異なる速度で伝播します。これは、FRB がガス雲の反対側に到達するまでの間に、完全に整列した異なる周波数がわずかに広がることを意味します。
Macquart は、この現象を、光がプリズムを通過するときに見られるものとまったく同じであると説明しています。
このタイミングの分散はごくわずかですが、銀河間を移動する広大な距離にわたって蓄積され、分散の量は、電波パルスが通過した電離物質の量に正確に比例します。
したがって、チームがこれらの FRB を測定すると、時間の経過とともに周波数がどれだけ不鮮明になっているかを計算でき、私たちへの旅でどれだけの電離物質を通過したかがわかります。バーストが発生した元の銀河の距離がわかれば、天文学者はイオン化された物質の平均密度を測定し、これを理論上の予測と照合することもできます。
ASKAP で業界をリード
この方法の組み合わせには、望遠鏡と技術の組み合わせも必要でした。調査を実施するために、天文学者のチームは、CSIRO のオーストラリア スクエア キロメートル アレイ パスファインダー (ASKAP) に目を向けました . . Prochaska 氏は、「ASKAP が道を切り開いた」と明言しています。
チームは ASKAP を使用して FRB の位置を測定し、FRB の位置を特定するという点でこの機器が最先端の技術になっているため、FRB の起源となった銀河を特定しました。
ASKAP は、電波放出の不鮮明なバーストを発見し、研究者に 2 つの重要な情報を提供しました。 — バーストの発生源と地球上の私たちとの間の電離物質の量と、バーストが発生した銀河を探しに行く場所これが、ASKAP がチームの鍵となった理由です。他の電波望遠鏡は FRBS の位置を特定できますが、どの銀河から来たかを特定できるほど正確にバーストの位置を特定できる電波望遠鏡はほとんどありません。
しかし、ASKAP は失われたバリオン パズルの 2/3 しか解決できませんでした。他の望遠鏡を使用して、これらのホスト銀河の赤方偏移を測定しました。これらの銀河は、最も信じられないほど遠くにあり、かすかに見えます。この測定により、チームは、宇宙の膨張がそれを運び去る距離と速度の推定値を得ることができました。 FRB の移動距離が分かれば、チームは視線に沿ったすべての原子の密度を計算できます。
欠けているものがそこにあることはわかっています。次に、「そこ」がどこにあるかを知る必要があります
この欠けている問題を「見つける」という考えは、少し誤解を招くかもしれません。チームは、この問題がそこにあることを示すことができたとしても、それがどこにあり、どのように配布されているかをまだ正確に特定していないことを指摘しています.
彼らが答えようとしている次の質問は、このガスが銀河間で滑らかに均一に広がっているのか、それともハローやフィラメントに集まっているのかということです.
「天文学者にとって特に興味深いのは、銀河にしっかりと結合している物質の割合と、開いた宇宙にある物質の割合を確認することです。これは、銀河間媒体または宇宙ウェブと呼ばれるものです」とプロチャスカは言います。しかし、特に彼にとって、この発見は 20 年間の旅の終わりを意味します。
「私はカーネギー天文台のポスドクとして 2000 年にこの研究を始めました」と Prochaska 氏は締めくくります。 「高速電波バーストの発見から 10 年後、新しい電波実験が探索に参加するためのツールを準備していたので、私は光学望遠鏡による追跡調査を行うために、「Fast and Fortunate for FRB Follow-up」というチームを結成しました。
「こんなに順調に進むとは夢にも思わなかった…」
参考文献:Macquart. JP、プロチャスカ。 J. X、マッキン。 M, et al, 「局所的な高速電波バーストによる宇宙のバリオンのセンサス」、Nature、[2020]。
