2018 年、オーストラリアのアウトバックで EDGES と呼ばれるアンテナを操作している天文学者は、特定の周波数の電波が夜空から来る他の電波よりも著しく暗いことを報告しました。 Nature に掲載された発見 、ビッグバン後の最初の星の誕生からの画期的なシグナルとして予告されました — 「宇宙の夜明け」と呼ばれるイベントは、そのような署名を光に刻印する必要がありました.
さらに、EDGES によって観測された電波スペクトルの低下は、宇宙学者が予測したものとは著しく異なって見えました。データは、初期の宇宙が驚くほど寒かったことを示唆しており、世界中の他の天文学者による多くの理論的活動と信号を確認する試みを引き起こしました.
今日、インドのバンガロールにあるラマン研究所のそのようなチームの 1 つが、SARAS と呼ばれる無線アンテナを使用して EDGES ディップを検索した結果を発表しました。天文学者は、2020 年初頭にインドの遠隔地にある一対の湖にアンテナを設置し、データ収集を短くして、最初の都市全体の COVID ロックダウンが始まる数時間前にバンガロールに戻りました。パンデミックをデータの分析に費やした後、SARAS チームは現在、Nature Astronomy で報告しています。 彼らは EDGES によって観測されたディップの痕跡を見つけられなかった.
カリフォルニア大学バークレー校の電波天文学者で、どちらの実験にも関与していないアーロン・パーソンズは、「それが本当に空にあるなら、彼らのデータで再現されたはずです」と語った。 「そこにはあまり余裕がありません。」
アリゾナ州立大学に拠点を置く EDGES 実験のリーダーであるジャッド・ボウマンは、この問題を解決するにはさらなる作業が必要であると述べています。 「彼らの初期の観察の結果を見るのが楽しみです」と彼は電子メールで書き、「この種の観察を行うことの難しさを考えると、この新しい研究を評価して進行中の研究に統合するための実質的なプロセスが先にある」と付け加えた。調査します。」
水素原子は、波長 21 cm の電波を自然に吸収して放出します。 EDGES と SARAS が検出しようとしたのはこれらの波です。地球への旅の間、波は宇宙の膨張によって引き伸ばされます。より遠くにある水素の雲からの波は、近くの雲から最近放出された波よりも長い時間膨張し、より長い波長で地球に到達します。光を伸ばすことで、天文学者は宇宙史における出来事のタイムスタンプの記録を得ることができます。
天文学者は、半世紀以上にわたって近くの銀河を研究するために 21 cm の放射を使用してきました。しかし最近では、EDGES や SARAS などの実験で、過去のより深い水素雲からの放出を求めて、地球や銀河の電波干渉によってより不明瞭になっているより長い波長の測定を開始しました。
水素原子が最初に形成されたとき、周囲の 21 cm の放射線を同じ割合で吸収して放出したため、原始宇宙を満たしていた水素の雲は事実上見えなくなりました。
そして、宇宙の夜明けが訪れました。最初の星からの紫外線放射が原子遷移を励起し、水素原子が放射するよりも多くの 21 cm 波を吸収できるようにしました。地球から見ると、この過剰な吸収は、星が点灯した瞬間を示す特定の電波波長での明るさの低下として現れます。
やがて、最初の星は崩壊してブラック ホールになりました。これらのブラック ホールの周りを渦巻く高温のガスは、宇宙全体で水素雲を加熱する X 線を生成し、21 cm の放出率を増加させました。これは、古い光よりもわずかに短い電波波長での明るさの上昇として観察されます。最終的な結果は、EDGES によって検出されたもののように、狭い電波波長範囲で輝度が低下することになります。
しかし、4メートルの波長付近で観測されたディップは、理論宇宙論者が予想していたものではありませんでした。トラフのタイミングと形状がずれており、最初の星が驚くほど早く現れ、X線がすぐに宇宙にあふれたことを示しています。その後。さらに奇妙なことに、ディップは非常に顕著で、おそらく宇宙を満たす暗黒物質とのエキゾチックな相互作用のために、初期宇宙の水素が理論モデルが予測したよりも寒かったことを示唆しています.
あるいは、EDGES の落ち込みは、もっと平凡な起源を持っていたのかもしれません。
宇宙の黎明期からの水素の 21 cm の放射は、FM ラジオやテレビ放送に使用される範囲の数メートルの波長で地球に到達します。そのため、EDGES はこのような遠隔地で運営されていました。さらに、この信号は、私たち自身の銀河系からの何千倍も明るい電波放射によって圧倒され、地球の大気の上層を通過することによって歪んでいます.
同様に重要なのは、アンテナ自体からの微妙な影響です。無線アンテナの環境によって、アンテナが感知できる夜空の領域がわずかに変化することがあります。このような正確な実験では、数十メートル離れた表面からのわずかな反射でさえ問題になる可能性があります。このような反射の影響は、特定の無線波長で強化され、アンテナの観測領域にわずかな変動が生じるため、異なる波長で測定された明るさが変動する可能性があります。
EDGES チームは、データにこの種のリップルを確認しました。主な原因は、おそらく適切に、地面自体からの無線放射をブロックするためにアンテナを囲むように地面に配置された幅 30 メートルの金属スクリーンの端でした。チームは分析でこれらのエッジからの反射の可能性を修正しましたが、当時一部の天文学者が指摘したように、修正がわずかでもずれていれば、実際の宇宙と見分けがつかない狭い波長範囲で背景の明るさが低下する可能性があります夜明けの合図。
SARAS チームは、すべての波長にわたってより均一な感度を追求するために、アンテナ設計に異なるアプローチを採用しました。 SARAS 論文の筆頭著者である Saurabh Singh 氏は、次のように述べています。アンテナ (発泡スチロールの筏に支えられたアルミニウムの円錐) は、穏やかな湖の真ん中に浮かせて、水平方向に 100 メートル以上反射しないようにしました。パーソンズはこれを「本当にクールで革新的なアプローチ」と呼んでいます。さらに、水中の光の速度が遅いため、湖底からの反射の影響が軽減され、水の均一な密度により、環境のモデル化がはるかに容易になりました。
最終的に、SARAS チームは 4 メートルの波長付近で滑らかなスペクトルを測定し、EDGES で見られた深い落ち込みの兆候はありませんでした。 (落ち込みがあるかどうかは未定です。Parsons は、SARAS チームが独自の測定値の微妙な点を理解するために、さらに多くの作業を行う必要があることを強調しています。)
モントリオールのマギル大学の電波天文学者で、どちらの実験にも関与していない H. シンシア チェンは、EDGES と SARAS はどちらも校正と分析の手順が非常に徹底しており、どちらの結果が正しいかを判断するには時期尚早だと述べています。 「不一致のレベルは人々を不快にさせるのに十分ですが、話の終わりにはほど遠いと思います」と彼女は言いました. 「私の観点からすると、それは興奮を増します。」彼女は、南アフリカの南端から 1,000 キロメートル離れた小さな島で行われる PRIZM と呼ばれる別のフォローアップ実験を主導しています。この島では、SARAS の主な課題である地上電波干渉がほとんどまったくありません。
Parsons は、SARAS の null の結果が維持されることを期待しています。もしそうなら、それは宇宙の夜明けの信号が現在の機器が理解するには弱すぎることを意味している可能性があります. 「しかし、[EDGES] がこの分野を前進させるために持っていた膨大な量のイノベーションが失われるとは思いません」と彼は言いました。
