Dark Ages Radio Explorer ( DARE ) — это предлагаемая миссия NASA, направленная на обнаружение смещенных в красную область излучений линий от самых ранних нейтральных атомов водорода , образовавшихся после Космического рассвета . Излучения от этих нейтральных атомов водорода, характеризующиеся длиной волны покоя 21 см и частотой 1420 МГц, дают представление о формировании первых звезд Вселенной и эпохе, следующей за космическими Темными веками . [1] Предполагаемый орбитальный аппарат нацелен на исследование состояния Вселенной примерно от 80 миллионов лет до 420 миллионов лет после Большого взрыва , захватывая линейные излучения на их смещенных в красную область частотах, происходящих из этого периода. Ожидается, что данные, собранные этой миссией, прольют свет на генезис первых звезд, быстрый рост начальных черных дыр [2] и процесс реионизации Вселенной. Более того, это облегчит тестирование вычислительных моделей формирования галактик . [3] [4] [5] [6] [7] Кроме того, миссия может продвинуть исследования распада темной материи и дать информацию о разработке телескопов для исследования поверхности Луны , что расширит возможности исследования экзопланет вокруг близких звезд. [8]
Эпоха между рекомбинацией и возникновением звезд и галактик называется «космическими темными веками ». В эту эпоху нейтральный водород преобладал в составе материи Вселенной . Хотя этот водород еще не наблюдался напрямую, текущие эксперименты направлены на обнаружение характерной линии водорода этого периода. Линия водорода возникает, когда электрон в нейтральном атоме водорода переходит между сверхтонкими состояниями, либо путем возбуждения в состояние с выровненными спинами , либо путем снятия возбуждения, когда спины переходят из выровненного в антивыровненное состояние. Разность энергий между этими сверхтонкими состояниями, электрон-вольты , равна фотону с длиной волны 21 сантиметр. Когда нейтральный водород достигает термодинамического равновесия с фотонами космического микроволнового фона (CMB), происходит «сцепление», делающее линию водорода необнаружимой. Наблюдение линии водорода возможно только при наличии температурного расхождения между нейтральным водородом и CMB.
Сразу после Большого взрыва Вселенная характеризовалась интенсивным теплом, плотностью и почти однородностью . Ее последующее расширение и охлаждение создали благоприятные условия для образования ядер и атомов . Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва , при красном смещении приблизительно 1100, охлаждение первичной плазмы позволило протонам и электронам объединиться в нейтральные атомы водорода, сделав Вселенную прозрачной, поскольку фотоны перестали существенно взаимодействовать с материей . Эти древние фотоны можно обнаружить в настоящее время как космический микроволновый фон (CMB). CMB показывает Вселенную, которая оставалась гладкой и однородной. [3] [4] [5]
После образования первоначальных атомов водорода Вселенная состояла из почти полностью нейтральной, равномерно распределенной межгалактической среды (МГС), состоящей преимущественно из газообразного водорода. Эта эпоха, лишенная светящихся тел, называется космическими Темными веками. Теоретические модели предсказывают, что в течение последующих сотен миллионов лет гравитационные силы постепенно сжимали газ в более плотные области, достигая кульминации в появлении первых звезд — веха, известная как Космический рассвет. [4] [5]
Образование дополнительных звезд и сборка самых ранних галактик заполонили вселенную ультрафиолетовыми фотонами , которые имели потенциал ионизировать водородный газ. Несколько сотен миллионов лет после Космического рассвета, первые звезды испустили достаточно ультрафиолетовых фотонов, чтобы реионизировать подавляющее большинство атомов водорода во вселенной. Эта эпоха реионизации означает переход IGM обратно в состояние почти полной ионизации. [4] [5]
Наблюдательные исследования еще не исследовали возникающую структурную сложность Вселенной. Изучение самых ранних структур Вселенной требует телескопа, превосходящего возможности космического телескопа Хаббл . В то время как теоретические модели указывают на то, что текущие измерения начинают изучать заключительную фазу реионизации, начальные звезды и галактики Темных веков и Космического рассвета остаются за пределами наблюдательной досягаемости современных инструментов. [4]
Предполагаемая миссия DARE направлена на проведение пионерских измерений зарождения первых звезд и черных дыр, а также на выяснение характеристик до сих пор необнаруживаемых звездных популяций. Эти наблюдения контекстуализируют существующие данные и улучшат наше понимание процессов развития первых галактик из предшествующих космических структур. [3] [4] [5]
Цель миссии DARE — проанализировать спектральный профиль усредненного по небу сигнала с красным смещением 21 см в радиодиапазоне 40–120 МГц, нацеливаясь на нейтральный водород при красном смещении между 11–35, что соответствует периоду 420–80 миллионов лет после Большого взрыва. Предварительный график DARE включает трехлетнюю лунную орбиту с упором на сбор данных над обратной стороной Луны — областью, которая считается лишенной антропогенных радиочастотных помех и существенной ионосферной активности.
Научный аппарат миссии, прикрепленный к бесшумному космическому аппарату, включает в себя трехкомпонентную радиометрическую систему с электрически короткой, конической, биконической дипольной антенной , а также приемником и цифровым спектрометром. Ожидается, что использование DARE плавной частотной характеристики антенны и метода дифференциальной спектральной калибровки смягчит интенсивные космические фоны, тем самым облегчая обнаружение слабого космического сигнала 21 см.
Помимо миссии DARE, было предложено несколько других инициатив для исследования этой области. К ним относятся Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR), Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) и Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA).
В данной статье использованы материалы из общедоступной статьи DARE в журнале Advances in Space Research, который сейчас находится в печати. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства .