CHIME: Het vroege universum in kaart brengen

CHIME: Het vroege universum in kaart brengen

april 1, 2019 0 Door admin

 

De CHIME radiotelescoop 's nachts.

De CHIME radiotelescoop ’s nachts.

(Afbeelding: © Andre Rendard / CHIME Collaboration)

Toen het jonge universum zich in zijn huidige vorm vestigde, vuurden flitsende waterstofatomen van ontelbare lichtflitsen af ​​- allemaal op dezelfde golflengte van ongeveer de helft van de hoogte van een bowlingpin. Eonen later zijn die fotonen uitgerekt tot verschillende lengtes door de uitdijende kosmos en sommigen hebben hun weg gevonden naar Canada, waar een gespecialiseerde radiotelescoop erop wacht om ze te onderscheppen.

Het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) is een instrument van kosmische ambities. Onderzoekers ontwierpen CHIME om donkere energie te demystificeren – het fenomeen dat de expansie van het universum stuurt – door de eerste gedetailleerde kaart te maken van een voorheen ondoordringbaar stuk geschiedenis.

“Het is een venster dat je met andere methoden niet kunt waarnemen”, zegt Kiyoshi Masui, astrofysicus aan het Massachusetts Institute of Technology. “We gaan na een tijd die niemand anders kan.”

Bijna toevallig kan CHIME ook helpen om een ​​van de grootste hedendaagse mysteries van de astronomie op te lossen: de oorsprong van de extragalactische explosies die bekend staan ​​als snelle radio-uitbarstingen (FRB’s).

Introductie van CHIME

Automobilisten die door de dorre heuvels van het zuiden van Brits-Columbia rijden, kunnen tekenen zien verschijnen waarin ze worden gevraagd hun mobiele telefoon uit te zetten terwijl ze langs het Dominion Radio Astrophysical Observatory rijden, waar CHIME en andere wetenschappelijke instrumenten zijn ondergebracht. Wanneer je fotonen uit het universum afluistert, is er niet zoiets als te stil.

De radiotelescoop CHIME luistert met vier halfpipevormige “oren” die samen een gebied overspannen zo lang als een voetbalveld en half zo breed. De ontvangers wijzen recht naar voren, bedekken een groot deel van de hemel en vertrouwen op de beweging van de aarde om ze door het universum te vegen.

Deze mechanische eenvoud logenstraft een duivelse digitale complexiteit. Terwijl de meeste radiotelescopen minder dan een dozijn antennes hebben, zit CHIME vol met 1.000 van hen. Als een afbeelding wordt afgebroken, moet het signaal van elke antenne worden vergeleken met die van elke andere antenne, een computationeel kostbare praktijk die interferometrie wordt genoemd. De echte kracht van CHIME ligt hier, met duizenden processors die de dataslang reduceren tot een hanteerbare druppel van ongeveer 1 terabyte per dag.

“Wat we hebben gedaan is mechanische kosten vervangen door digitale kosten,” vertelde Masui aan Space.com, “en dat zorgt voor een zeer economische telescoop.” De Canadese overheid financierde de interferometer in 2012 voor ongeveer $ 12 miljoen Canadese dollar ($ 9 miljoen), een vergelijkende overeenkomst op het gebied van astronomie.

Die prijs kocht volgens Masui een instrument met een mappingsnelheid die 10 tot 100 keer sneller was dan alle andere. Met hoge resolutie, een panoramisch gezichtsveld en uitstekende prestaties bij weinig licht, zou CHIME een ideale camera zijn – als het zichtbaar licht zou zien in plaats van 400 – 800 megabyte radiogolven.

De voltooide telescoop maakte zijn eerste metingen in september 2017 en het testen ging door tot in 2018. Het instrument begon begin 2019 op volle capaciteit en zal uiteindelijk de lucht dag en nacht observeren.

De CHIME-telescoop is een indrukwekkend stuk constructie. Zie je de persoon daar bovenaan?

De CHIME-telescoop is een indrukwekkend stuk constructie. Zie je de persoon daar bovenaan?

(Afbeelding: © Andre Renard / CHIME Collaboration)

Een oude kaart van alles

Het belangrijkste doel van CHIME is om de zichtbare materie van de kosmos op de grootste van de schalen in kaart te brengen en iets te leren over de krachten die ertoe doen. In plaats van individuele sterrenstelsels uit te zetten, ziet het instrument alleen de meest voorkomende bouwsteen van het universum: waterstof. Het atoom kan klein zijn, maar vanuit ons verre perspectief maakt waterstof’s relatieve alomtegenwoordigheid het een goede proxy voor alle normale materie, van sterren tot sterrenstelsels tot clusters van sterrenstelsels.

“De kleinste elementen die we kunnen zien, vertegenwoordigen honderdduizenden sterrenstelsels”, zei Richard Shaw, een astronoom aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Canada.

Een vaag melkwegcluster in de buurt lijkt in de verte op een helder cluster, dus om diepte toe te voegen aan de kaart, zal CHIME een kosmologische gril uitspelen. Het universum begon als een dik, soepig plasma dat strompelde van ribbels; na 300.000 jaar, die soep afgekoeld, en waterstofatomen gevormd, het bevriezen van de oer-nagalm op zijn plaats. CHIME zal op jacht gaan naar de overgebleven concentraties van massa, die vandaag verschijnen als ringen van sterrenstelsels en waterstof van ongeveer een miljard lichtjaar over.

Door de evolutie van deze oude halo’s te combineren met informatie over de mate waarin de fotonen zich uitstrekken terwijl ze op weg zijn naar de aarde, zullen onderzoekers de grootste volumekaart van het universum tot nu toe genereren, een die laat zien hoe snel de kosmos zich uitbreidde en wanneer Shaw vertelde Space.com.

Het uiteindelijke doel is om statistieken te distilleren die bepaalde hypothesen over donkere energie kunnen uitsluiten. Om die reden concentreert het experiment zich op waterstofatomen die 2,6 miljard tot 6,8 miljard jaar na de oerknal flitsten. “Dat is wanneer donkere energie voor het eerst belangrijk werd,” zei Masui, “helemaal aan het begin, toen de uitbreiding van het universum afweek van wat we dachten dat zou gebeuren.”

Een modern mysterie

Donkere materiemodellen zullen niet de enige hypothesen zijn die worden uitgesloten door de waarnemingen van CHIME. De interferometer kan ook scannen op vluchtige kosmische ontploffingen die zijn ontdekt terwijl de telescoop nog in de planningsfase was.

De eerste FRB werd ontdekt in 2007, maar het duurde een paar jaar voordat onderzoekers het erover eens waren dat de onmogelijk heldere radioflitsen niet van Aardse afkomst waren. Tegenwoordig hebben astronomen tientallen van deze uitbarstingen gecatalogiseerd , die in duizendsten van een seconde aan en uit knipogen. De flitsen knipperen de lucht, misschien duizenden keren per dag en komen uit het hele universum, maar wat hen in de war brengt, is onbekend.

Kort nadat CHIME financiering ontving, ontmoetten astronomen en kosmologen elkaar in Quebec in 2014 voor een jaarlijkse conferentie over kosmologie en zwaartekracht georganiseerd door het Canadese Instituut voor Geavanceerd Onderzoek. De groep besefte dat het vermogen van CHIME om de hele lucht in één keer te doorzoeken ideaal zou zijn voor het detecteren van de alomtegenwoordige en onvoorspelbare radio-explosies. Twee jaar later financierde de overheid een CA $ 6 miljoen ($ 4,5 miljoen) computercluster dat zich toelegt op het in real time doorzoeken van de gegevens van CHIME voor FRB’s. “Het was een wonder van de Canadese radioastronomie,” zei Masui.

Nog voordat hij volledig online was, veranderde de telescoop het FRB-landschap. Begin 2019 publiceerde de samenwerking 13 nieuwe detecties – waaronder het tweede voorbeeld van een herhaalde burst, een verzameling FRB’s die allemaal afkomstig zijn van dezelfde plaats – waardoor het aantal bekende gebeurtenissen met 25 procent is toegenomen. CHIME nam de flitsen gedurende vier weken op, maar vanwege debugging en kalibratietijd, schat Masui dat de telescoop in die periode slechts vijf dagen volledig operationeel was.

De nieuwe bevindingen, vooral de burst-burst, hebben astronomen al geholpen bepaalde theorieën te verfijnen , maar onderzoekers zullen nog veel meer waarnemingen nodig hebben voordat ze kunnen doorgaan met een sluitende verklaring voor FRB’s. “De eerste 200 of 1.000 [voorbeelden] sluiten een groot aantal modellen uit,” zei Masui. “Maar er zijn veel tientallen modellen die goed werken. Zelfs als je driekwart van de hand doet, zal er nog steeds een groep zijn die werkt.”

Extra bronnen:

Hebt u een nieuws-tip, correctie of opmerking? Laat het ons weten op community@space.com.

Lees Meer