暗黒時代のラジオ探検家

暗黒時代電波探査機（DARE）は、宇宙の夜明け以降に形成された最古の中性水素原子からの赤方偏移線放射を検出することを目的とした、NASAが提案したミッションである。21 cmの静止波長と1420 MHzの周波数を特徴とするこれらの中性水素原子からの放射は、宇宙で最初の星の形成と宇宙の暗黒時代に続く時代についての洞察を与える。[ 1 ]計画されている探査機は、その期間に発生した赤方偏移周波数の線放射を捉えることにより、ビッグバン後約8000万年から4億2000万年までの宇宙の状態を調査することを目的としている。このミッションで収集されたデータは、最初の星の起源、初期ブラックホールの急速な成長、[ 2 ]および宇宙の再電離過程を解明すると期待されている。さらに、計算による銀河形成モデルのテストにも役立つだろう。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]さらに、このミッションは暗黒物質の崩壊に関する研究を前進させ、月面望遠鏡の開発に役立ち、近隣の恒星を回る太陽系外惑星の探査を強化する可能性がある。[ 8 ]

背景

再結合から星や銀河の出現までの時代は「宇宙の暗黒時代」と呼ばれています。この時代、宇宙の物質構成は中性水素が支配的でした。この水素はまだ直接観測されていませんが、現在進行中の実験では、この時代の特徴的な水素の輝線を検出しようとしています。水素の輝線は、中性水素原子中の電子が超微細状態間を遷移する際に発生します。遷移は、スピンが整列した状態への励起、またはスピンが整列状態から反整列状態へと遷移する際の脱励起のいずれかによって発生します。これらの超微細状態間のエネルギー差（電子ボルト）は、波長21センチメートルの光子に相当します。中性水素が宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の光子と熱力学的平衡に達すると、「結合」が起こり、水素の輝線は検出できなくなります。水素の輝線の観測は、中性水素とCMBの間に温度差がある場合にのみ可能です。 5.9×10−6{\displaystyle 5.9\times 10^{-6}}

理論的動機

ビッグバン直後、宇宙は強烈な熱、密度、そしてほぼ均一性を特徴としていました。その後の膨張と冷却により、核と原子の形成に適した条件が整いました。ビッグバンから約40万年後、赤方偏移約1100の時点で、原始プラズマの冷却により陽子と電子が中性水素原子に融合し、光子が物質と大きく相互作用しなくなったため、宇宙は透明になりました。これらの古代の光子は、現在、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）として検出可能です。CMBは、滑らかで均一なままであった宇宙を明らかにしています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

最初の水素原子の形成後、宇宙はほぼ完全に中性で均一に分布した銀河間物質（IGM）で構成され、主に水素ガスで構成されていました。この発光体の存在しない時代は、宇宙の暗黒時代と呼ばれています。理論モデルは、その後数億年かけて重力によってガスが徐々に圧縮され、密度の高い領域が形成され、最終的に最初の恒星が出現すると予測しています。この節目は「宇宙の夜明け」と呼ばれています。[ 4 ] [ 5 ]

新たな星の形成と初期銀河の集合により、宇宙は紫外線光子で溢れ、水素ガスを電離させる可能性を秘めていました。宇宙の夜明けから数億年後、初期の星々は宇宙の水素原子の大部分を再電離させるのに十分な紫外線光子を放出しました。この再電離期は、IGMがほぼ完全な電離状態へと回帰したことを示しています。[ 4 ] [ 5 ]

観測研究は、宇宙の出現しつつある構造的複雑さを未だ探求できていない。宇宙最初期の構造を研究するには、ハッブル宇宙望遠鏡の性能を超える望遠鏡が必要となる。理論モデルは、現在の観測が再電離の最終段階を解明し始めていることを示唆しているが、暗黒時代や宇宙の夜明け期の初期の星や銀河は、現代の観測機器の観測範囲外にある。[ 4 ]

構想されているDAREミッションは、最初の恒星とブラックホールの誕生に関する先駆的な測定を行うとともに、これまで検出できなかった恒星集団の特徴を明らかにすることを目的としています。これらの観測は、既存のデータの文脈を解明し、先行する宇宙構造から最初の銀河の発達過程への理解を深めるでしょう。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

ミッション

DAREミッションは、ビッグバン後の4億2000万年から8000万年に相当する、赤方偏移11～35の中性水素をターゲットに、40～120MHzの電波帯域内で、全天平均され赤方偏移した21cm信号のスペクトルプロファイルを解析することを目的としています。DAREの暫定的なスケジュールは、3年間の月周回軌道を含み、月の裏側（人為的な無線周波数干渉や電離層活動がほとんどないと考えられている領域） の上空のデータ収集に重点を置いています

このミッションの科学装置は、RFノイズの少ない宇宙船バスに搭載され、電気的に短いテーパー状の双円錐型ダイポールアンテナ、受信機、デジタル分光計を備えた3部構成の放射計システムで構成されています。DAREは、このアンテナの滑らかな周波数応答と差分スペクトル較正技術を活用することで、強い宇宙前景の影響を軽減し、21cmの微弱な宇宙信号の検出を容易にすると期待されています。

DAREミッションに加えて、この分野を調査するためにいくつかのイニシアチブが提案されています。これらには、再電離期探査のための精密アレイ（PAPER）、低周波アレイ（LOFAR）、マーチソン広視野アレイ（MWA）、巨大メートル波電波望遠鏡（GMRT）、暗黒時代検出のための大型開口実験（LEDA） が含まれます

参照

参考文献

パブリックドメイン この記事には、現在印刷中のAdvances in Space Researchに掲載されているDARE論文（アメリカ航空宇宙局）のパブリックドメイン資料が組み込まれています。
  1. ^ 「宇宙の『暗黒時代』が月探査機で明らかになるかもしれない」 Space.com 、 2016年2月5日。 2016年4月19日閲覧。
  2. ^ Alexander, Tal; Natarajan, Priyamvada (2014-09-01). 「超指数関数的集積による初期宇宙における種ブラックホールの急速な成長」 . Science . 345 (6202): 1330– 1333. arXiv : 1408.1718 . Bibcode : 2014Sci...345.1330A . doi : 10.1126 / science.1251053 . ISSN 0036-8075 . PMID 25103410. S2CID 22906546 .   
  3. ^ a b c Burns, Jack O.; Lazio, J.; Bale, S.; Bowman, J.; Bradley, R.; Carilli, C.; Furlanetto, S.; Harker, G.; Loeb, A.; Pritchard, J. (2012). 「Dark Ages Radio Explorer (DARE) による初期宇宙における最初の恒星とブラックホールの探査」. Advances in Space Research . 49 (3): 433. arXiv : 1106.5194 . Bibcode : 2012AdSpR..49..433B . doi : 10.1016/j.asr.2011.10.014 . S2CID 56282298 . 
  4. ^ a b c d e f「DARE論文、Advances in Space Research誌に掲載中」 NASA月科学研究所、2012年。
  5. ^ a b c d e「DAREミッション概要」コロラド大学、2012年。
  6. ^バーンズ、ジャック・O、J・ラツィオ、J・ボウマン、R・ブラッドリー、C・カリリ、S・フルラネット、G・ハーカー、A・ローブ、J・プリチャード。「暗黒時代の電波探査機（DARE）」アメリカ天文学会誌、第43巻、10709ページ。2011年。
  7. ^ Pritchard, Jonathan R.; Loeb, Abraham (2010). 「暗黒時代と再電離の間の未踏の期間を、全球21cm信号の観測によって制限する」（無料PDFダウンロード） . Physical Review D. 82 ( 2) 023006. arXiv : 1005.4057 . Bibcode : 2010PhRvD..82b3006P . doi : 10.1103/PhysRevD.82.023006 . S2CID 117643093 . 
  8. ^ 「DAREミッション」 . lunar.colorado.edu . 2021年9月13日閲覧。

さらに詳しい情報

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Dark_Ages_Radio_Explorer&oldid=1331827504」より引用