En cosmología, el mapeo de intensidad es una técnica de observación para estudiar la estructura a gran escala del universo mediante el uso de la emisión de radio integrada de las nubes de gas sin resolver.
En su variante más común, el mapeo de intensidad de 21 cm , la línea de emisión de hidrógeno neutro de 21 cm se utiliza para rastrear el gas. El hidrógeno sigue las fluctuaciones en el campo de densidad cósmica subyacente, y las regiones de mayor densidad dan lugar a una mayor intensidad de emisión. Por tanto, las fluctuaciones de intensidad se pueden utilizar para reconstruir el espectro de potencia de las fluctuaciones de la materia . La frecuencia de la línea de emisión se desplaza al rojo por la expansión del Universo, por lo que mediante el uso de receptores de radio que cubren una banda de frecuencia amplia, se puede detectar esta señal en función del desplazamiento al rojo y, por lo tanto, del tiempo cósmico. Esto es similar en principio a un estudio de desplazamiento al rojo de galaxias., con la importante distinción de que las galaxias deben detectarse y medirse individualmente, lo que hace que el mapeo de intensidad sea un método considerablemente más rápido. [1]
Historia
- Agosto de 1996: Madau, Meiksin & Rees [2] proponen el mapeo de intensidad como una forma de sondear la Época de la Reionización .
- Diciembre de 2001: Bharadwaj y Sethi [3] proponen el uso de mapas de intensidad de hidrógeno neutro para observar la distribución de la materia en la época posterior a la reionización.
- Enero de 2004: Battye, Davies y Weller [4] proponen utilizar mapas de intensidad de 21 cm para medir la energía oscura .
- Junio de 2006: Peterson, Bandura y Pen [5] proponen la encuesta Hubble Sphere Hydrogen Survey
- Marzo de 2009: Señal cosmológica HI observada por primera vez con un corrimiento al rojo 1,12 [6] por el Telescopio Green Bank .
- Enero de 2013: Comienza la construcción del experimento CHIME [7] en Columbia Británica , Canadá.
Aplicaciones científicas
El mapeo de intensidad se ha propuesto como una forma de medir el campo de densidad de materia cósmica en varios regímenes diferentes.
Época de la reionización
Entre los tiempos de recombinación y reionización , el contenido bariónico del Universo, principalmente hidrógeno, existía en una fase neutra. La detección de la emisión de 21 cm desde este momento, hasta el final de la reionización, se ha propuesto como una forma poderosa de estudiar la formación de estructuras tempranas. [8] Este período de la historia del Universo corresponde a corrimientos al rojo de a , lo que implica un rango de frecuencia para experimentos de mapeo de intensidad de 50-200 MHz.
Estructura a gran escala y energía oscura.
En épocas tardías, después de que el Universo se ha reionizado , la mayor parte del hidrógeno neutro restante se almacena en densas nubes de gas llamadas sistemas Lyman-alfa amortiguados , donde está protegido de la radiación UV ionizante . Estos están alojados predominantemente en galaxias, por lo que la señal de hidrógeno neutro es efectivamente un trazador de la distribución de las galaxias.
Al igual que con los estudios de desplazamiento al rojo de galaxias, las observaciones de mapas de intensidad se pueden usar para medir la geometría y la tasa de expansión del Universo (y, por lo tanto, las propiedades de la energía oscura [1] ) mediante el uso de la función de oscilación acústica bariónica en el espectro de potencia de la materia como regla estándar . La tasa de crecimiento de la estructura, útil para probar modificaciones a la relatividad general , [9] también se puede medir utilizando distorsiones espaciales de desplazamiento al rojo . Ambas características se encuentran a grandes escalas de decenas a cientos de megaparsecs , razón por la cual los mapas de baja resolución angular (no resueltos) de hidrógeno neutro son suficientes para detectarlos. Esto debería compararse con la resolución de un estudio de desplazamiento al rojo, que debe detectar galaxias individuales que normalmente tienen solo decenas de kiloparsecs de ancho.
Debido a que los levantamientos de mapeo de intensidad se pueden llevar a cabo mucho más rápido que los levantamientos ópticos convencionales de desplazamiento al rojo, es posible trazar un mapa de volúmenes significativamente mayores del Universo. Como tal, el mapeo de intensidad se ha propuesto como una forma de medir fenómenos en escalas extremadamente grandes, incluida la no gaussiana primordial de la inflación [10] y correcciones relativistas generales a la función de correlación de la materia . [11]
Líneas de estructura molecular y fina
En principio, cualquier línea de emisión puede usarse para hacer mapas de intensidad si se puede detectar. Otras líneas de emisión que se han propuesto como trazadores cosmológicos incluyen:
Experimentos
Los siguientes telescopios han albergado estudios de mapas de intensidad o planean llevarlos a cabo en el futuro.
- TIANLAI (China) [15]
- BINGO (Brasil / Uruguay / Reino Unido)
- CHIME (Canadá)
- COMAP (EE. UU.) [16]
- RÁPIDO (China)
- Telescopio Green Bank (EE. UU.)
- HIRAX (Sudáfrica)
- KAT7 (Sudáfrica)
- MeerKAT (Sudáfrica) [17]
- Radiotelescopio de Parkes (Australia)
- PAPEL (EE.UU. / Sudáfrica / Australia)
- Matriz de kilómetros cuadrados (Sudáfrica / Australia)
Referencias
- ^ a b Toro, Felipe; Ferreira, Pedro G .; Patel, Prina; Santos, Mario G. (2015). "Cosmología tardía con experimentos de mapeo de intensidad de 21 cm". El diario astrofísico . 803 (1): 21. arXiv : 1405.1452 . Código bibliográfico : 2015ApJ ... 803 ... 21B . doi : 10.1088 / 0004-637X / 803/1/21 . S2CID 118350366 .
- ^ Madau, Piero; Meiksin, Avery; Rees, Martin J. (1997). "Tomografía de 21 centímetros del medio intergaláctico en alto corrimiento al rojo". El diario astrofísico . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph / 9608010 . Bibcode : 1997ApJ ... 475..429M . doi : 10.1086 / 303549 . S2CID 118239661 .
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- ^ Battye, Richard A .; Davies, Rod D .; Weller, Jochen (2004). "Estudios de hidrógeno neutro para cúmulos de galaxias de alto corrimiento al rojo y cúmulos de protocolos". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 355 (4): 1339-1347. arXiv : astro-ph / 0401340 . Código Bibliográfico : 2004MNRAS.355.1339B . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08416.x . S2CID 16655207 .
- ^ Peterson, Jeffery B .; Bandura, Kevin; Pen, Ue Li (2006). "La encuesta de hidrógeno de la esfera del Hubble" . arXiv : astro-ph / 0606104 . Código bibliográfico : 2006astro.ph..6104P . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Chang, Tzu-Ching; Pen, Ue-Li; Bandura, Kevin; Peterson, Jeffrey B. (22 de julio de 2010). "Un mapa de intensidad de la emisión de hidrógeno de 21 cm en el corrimiento al rojo z ≈ 0,8". Naturaleza . 466 (7305): 463–465. Código bibliográfico : 2010Natur.466..463C . doi : 10.1038 / nature09187 . PMID 20651685 . S2CID 4404546 .
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enlaces externos
- Taller de Oxford Martin sobre mapeo de intensidad
- Reunión de discusión de RAS sobre mapeo de intensidad
- Experimento CHIME