Hydro vũ trụ từ 5 tỷ năm ánh sáng đã ẩn trong dữ liệu MeerKAT từ năm 2018

Khi Sourabh Paul và các cộng sự lục tìm kho dữ liệu lưu trữ, họ đang tìm kiếm một tín hiệu mà phần lớn các nhà thiên văn cho rằng cần tới hai kính thiên văn mới phát hiện được. Thứ xuất hiện từ 96 giờ dữ liệu vô tuyến của MeerKAT là một tiếng thì thầm 21 cm mờ nhạt, dấu hiệu vô tuyến đặc trưng của hydro trung tính, mang thông tin từ hai thời điểm trong lịch sử vũ trụ khi vũ trụ khoảng chín và mười tỷ năm tuổi. Tín hiệu đã vượt qua 3,67 và 4,76 tỷ năm ánh sáng để đến được 64 đĩa kính bố trí trên khắp tỉnh Northern Cape ở Nam Phi.

Khoảng cách không quan trọng bằng những gì phải làm để nghe được nó. Mọi nỗ lực trước đây nhằm phát hiện hydro theo cách này đều đòi hỏi phải đối chiếu chéo dữ liệu vô tuyến với một danh mục các thiên hà được xác định bằng kính thiên văn quang học. Lần này, nhóm MeerKAT không cần danh mục nào như vậy. Phát hiện này, được công bố trên The Astrophysical Journal Letters, là kết quả lập bản đồ cường độ hydro trực tiếp đầu tiên từ một đài quan sát vô tuyến duy nhất hoạt động độc lập.

Cách họ nghe thấy

Các nguyên tử hydro trung tính phát ra sóng vô tuyến ở bước sóng chính xác 21 cm, được tạo ra khi electron đơn độc trong nguyên tử hydro đảo chiều spin. Đây là một trong những tín hiệu dồi dào nhất trong vũ trụ, nhưng cũng là một trong những tín hiệu bị pha loãng nhất qua các khoảng cách vũ trụ. Lập bản đồ cường độ hydro không cố gắng phân giải từng thiên hà riêng lẻ. Nó đo tổng bức xạ vô tuyến từ hàng triệu thiên hà chưa được phân giải cùng lúc. “Với lập bản đồ cường độ, chúng tôi không cần phát hiện từng thiên hà riêng lẻ”, Tiến sĩ Zhaoting Chen, đồng tác giả của bài báo, cho biết. Kỹ thuật này gần giống như nghe tiếng ồn nền của một căn phòng đông người hơn là chọn ra một cuộc trò chuyện duy nhất.

Bài viết nên đọcSự ra đời của sao giảm 60% — nguồn hydro vũ trụ vẫn gần như nguyên vẹn

Trở ngại là ô nhiễm nền. Bức xạ vô tuyến của chính Ngân Hà mạnh hơn nhiều bậc cường độ so với tín hiệu hydro vũ trụ. Nhiễu trên mặt đất, giả tạo từ thiết bị và các nguồn phát vô tuyến trong vũ trụ lân cận đều cạnh tranh với tiếng thì thầm yếu ớt từ hàng tỷ năm ánh sáng. Nhóm nghiên cứu đã phát triển các phương pháp hiệu chuẩn để tách biệt thứ thuộc về thiên hà chúng ta khỏi thứ thuộc về quá khứ xa xôi, hoàn toàn làm việc với kho lưu trữ vô tuyến của MeerKAT.

Kết quả bao gồm hai cửa sổ dịch chuyển đỏ, z ≈ 0,32 và z ≈ 0,44, tương ứng với các biến thiên hydro được đo trên các quy mô vài triệu năm ánh sáng, gần bằng khoảng cách giữa Ngân Hà và Andromeda. Đây là một lát cắt hẹp của lịch sử vũ trụ. Nhưng đó là một lát cắt thực, được trích xuất mà không cần sự hỗ trợ của bất kỳ dữ liệu quang học nào.

Điều gì trước đây cần hai kính thiên văn

Phương pháp tiêu chuẩn trước đây, tương quan chéo dữ liệu vô tuyến với một khảo sát thiên hà quang học, hoạt động được vì dịch chuyển đỏ quang học cung cấp các điểm neo vị trí chính xác cho vị trí của các thiên hà. Tín hiệu vô tuyến quá mờ để có thể quy cho các nguồn cụ thể nếu chỉ dựa vào nó, vì vậy việc kết hợp nó với danh mục quang học cho phép các nhà thiên văn xác minh rằng những gì họ thấy là thật. Kỹ thuật tương quan chéo đã tạo ra các phát hiện, nhưng nó áp đặt một giới hạn: hydro chỉ có thể được lập bản đồ ở những nơi khảo sát quang học đã lập danh mục bầu trời.

Phát hiện trực tiếp loại bỏ giới hạn đó. Một đài quan sát vô tuyến giờ đây có thể khảo sát hydro trên các vùng bầu trời và các kỷ nguyên của thời gian vũ trụ nơi không có khảo sát quang học nào tồn tại, hoặc nơi các khảo sát quang học không thể tiếp cận vì các thiên hà quá mờ. Mạng lưới vũ trụ, các sợi và khoảng trống của vật chất tối và vật chất thông thường tạo nên cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, có thể được truy vết qua hydro bất kể các khảo sát quang học đã phủ cùng một vùng hay chưa.

Tác giả chính, Tiến sĩ Sourabh Paul, nói thẳng: “Phát hiện trực tiếp nó bằng MeerKAT cho thấy kỹ thuật này đang trở thành một công cụ thực tế cho vũ trụ học.”

Tín hiệu chưa cho chúng ta biết điều gì

Hai cửa sổ dịch chuyển đỏ từ một bộ dữ liệu 96 giờ duy nhất không phải là một bản đồ của vũ trụ. Kết quả hiện tại bao phủ một vùng bầu trời hạn chế và hai lát cắt thời gian vũ trụ cụ thể. Các khảo sát mở rộng, bao phủ nhiều bầu trời hơn và nhiều kỷ nguyên hơn, là cần thiết trước khi lập bản đồ cường độ hydro có thể hạn chế các tham số vũ trụ học mà kỹ thuật này được thiết kế để đo: hằng số Hubble, mật độ năng lượng tối, hình học của vũ trụ ở các thời đại khác nhau.

Việc trừ nền, dù thành công, nhưng đưa ra các bất định hệ thống khó định lượng chính xác. Bất kỳ sự không hoàn hảo nào trong việc loại bỏ bức xạ của chính Ngân Hà đều để lại một phần dư có thể làm ô nhiễm tín hiệu vũ trụ. Việc kiểm chứng độc lập với các đài quan sát khác hoặc với dữ liệu MeerKAT mới sẽ giúp giải quyết câu hỏi về tín hiệu so với giả tạo.

Hai cửa sổ dịch chuyển đỏ đạt được trong phát hiện này tương ứng với vũ trụ ở khoảng 70% và 66% tuổi hiện tại của nó. Đây không phải là những kỷ nguyên mà năng lượng tối và sự hình thành cấu trúc tạo ra các tương phản vũ trụ học hữu ích nhất. Các quan sát trong tương lai đẩy lên các dịch chuyển đỏ cao hơn, nơi sự cạnh tranh giữa năng lượng tối và mật độ vật chất hiện rõ nhất trong cách cấu trúc phát triển, sẽ là bài kiểm tra thực sự cho lập bản đồ cường độ hydro như một công cụ thăm dò vũ trụ học.

Các câu hỏi thường gặp về lập bản đồ cường độ hydro

Vạch 21 cm là gì và tại sao nó quan trọng?

Các nguyên tử hydro trung tính phát ra một tín hiệu vô tuyến mờ ở chính xác bước sóng 21 cm, gây ra bởi một chuyển đổi năng lượng trong electron đơn độc của nguyên tử. Vì hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, sự phát xạ này có ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Khi vũ trụ giãn nở, tín hiệu bị kéo dài sang các bước sóng dài hơn. Đo sự kéo dài đó cho các nhà thiên văn biết cả khoảng cách của nguồn lẫn thời điểm ánh sáng rời đi. Đó là tín hiệu phát sóng vốn có của vũ trụ, được truyền liên tục kể từ khi các nguyên tử đầu tiên hình thành.

Tại sao MeerKAT không phát hiện điều này sớm hơn?

Dữ liệu được thu thập trong năm đầu tiên hoạt động khoa học của kính thiên văn. Việc xác định một phương pháp phân tích khả thi, phát triển các kỹ thuật loại bỏ nền, và áp dụng chúng vào bộ dữ liệu lưu trữ đã mất nhiều năm hiệu chuẩn. Tín hiệu luôn ở trong dữ liệu. Trích xuất nó một cách sạch sẽ đòi hỏi phương pháp luận phải bắt kịp. Giáo sư Mario Santos nhận xét rằng thật “đặc biệt đáng chú ý” khi phát hiện đến từ dữ liệu được thu thập sớm như vậy trong đời sống vận hành của MeerKAT.

Square Kilometre Array là gì, và kết quả này đóng góp gì cho nó?

Đài quan sát Square Kilometre Array (SKAO), đang được xây dựng tại Nam Phi và Úc, sẽ có diện tích thu gấp khoảng 50 lần MeerKAT. Lập bản đồ cường độ hydro được kỳ vọng là một trong những chương trình khoa học trung tâm của nó. MeerKAT là tiền thân trực tiếp của SKAO. Việc chứng minh rằng lập bản đồ cường độ hydro trực tiếp hoạt động trong thực tế cho các nhóm khoa học SKAO các phương pháp đã được kiểm chứng và một cơ sở để lập kế hoạch cho các cuộc khảo sát đầu tiên của họ. Giáo sư Laura Wolz gọi kết quả MeerKAT là một dấu hiệu “cho các quan sát trong tương lai với SKAO.”

Lập bản đồ cường độ hydro có phát hiện vật chất tối không?

Không trực tiếp. Tín hiệu 21 cm đến từ các nguyên tử hydro thông thường. Những gì nó truy vết là sự phân bố quy mô lớn của vật chất thông thường, vốn theo dàn giáo hấp dẫn được xây dựng bởi vật chất tối qua lịch sử vũ trụ. Bằng cách so sánh bản đồ hydro với phân bố thiên hà và dữ liệu thấu kính hấp dẫn, các nhà vũ trụ học có thể suy ra mật độ và sự kết tụ của vật chất tối mà không cần phát hiện trực tiếp các hạt vật chất tối.

Nhóm nghiên cứu dự định mở rộng khảo sát ra vùng bầu trời rộng hơn và các đợt quan sát dài hơn, đẩy phát hiện lên các dịch chuyển đỏ cao hơn và các bản đồ hydro dày đặc hơn. Kho lưu trữ của MeerKAT chứa dữ liệu từ những năm đầu hoạt động chưa được phân tích cho lập bản đồ cường độ. Tín hiệu được nghe từ các quan sát năm 2018 có thể là tín hiệu đầu tiên trong số nhiều tín hiệu đang chờ được tìm thấy.

Tham khảo: Paul, S., Chen, Z., Santos, M.G., và Wolz, L., “A Direct Detection of Neutral Hydrogen Intensity Mapping on Mpc Scales at z ≈ 0.32 and z ≈ 0.44,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/ae808f

Thẻ: 21-cm line, hydrogen intensity mapping, MeerKAT, radio astronomy, SKAO, Sourabh Paul

Nội dung tương tự

JWST phát hiện cụm thiên hà 10 tỷ năm tuổi không nên đặc đến mức này

JWST: Thiên hà cổ đại ẩn giấu khối lượng gấp bốn lần ước tính trong các ngôi sao nhỏ

Hạt ma năng lượng cao nhất của IceCube đến từ một nhà máy sao ẩn sau bụi

Vật chất tối đã tạo ra sự xoay vòng cho các thiên hà 13 tỷ năm trước — xác nhận ở mức 7 sigma

Dải Ngân Hà tự tạo ra những khe hở từng được dùng để truy tìm vật chất tối

JWST phát hiện nước ngay sát Sagittarius A* — hóa học vẫn diễn ra trong lõi thiên hà