21 cm kosmologie

Presentatie voor Vendelinus, Genk, 9 feb 2013. Trefwoorden: sterrenkunde, astronomie, kosmologie.

Transcript

1. Bart Buelens, Vendelinus, 9 feb 2013
3.  380.000 jaar na de Big Bang,  Protonen combineren met elektronen tot H  Atomen neutraal, fotonen ontsnappen  Fotonen vrijgekomen bij deze “decoupling” vormen de achtergrondstraling v/h heelal  Thermische straling van een “black body” van 2,7K, is maximaal bij ong. 1mm golflengte  Voorspeld in 1948, waargenomen 1968, Nobelprijs 1974, nog steeds onderwerp v onderzoek
4. WMAP / NASA, 2012 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Gemiddeld 2,7K, variaties van de orde 10-5 K
5.  Optische waarneming  X-ray en andere frequenties  Van buiten de aardatmosfeer (bijv. Hubble)  In 2012 waren er slechts 50 kandidaat objecten van meer dan 13 miljard lichtjaar afstand  Het eerste miljard jaar na de Big Bang is vrij onbekend, op de CMB na
7.  CMB = embryonisch materiaal van sterren  Waarnemingen van sterren vanaf hun puberteit  We missen de geboorte en de kinderjaren  Hoofdbestanddeel was waterstof  Waarnemen van waterstof is de sleutel
9.  Waterstof in grondtoestand  Hyperfijn niveaus, verschil is energy met golflengte 21 cm, frequentie 1420 MHz  Spontane elektron spin flip 1 keer in 30 mlj jaar  Van tegengesteld naar parallel door botsingen  Balans parallel – antiparallel kan variëren en bepaalt de intensiteit van de 21cm straling  Voorspeld in 1944 door Van de Hulst en Oort  Officieel ontdekt in 1951 door Ewen en Purcell en Muller en Oort (zelfde nummer v Nature)
10.  Doppler: straling van objecten die zich van ons weg bewegen is rood verschoven: grotere golflengte bij waarnemen dan bij emissie  Het heelal dijt uit en doet dat steeds sneller  Hoe langer geleden de 21 cm straling is afgegeven, hoe groter de relatieve snelheid t.o.v. ons, dus hoe langer de golflengte waarbij wij de straling waarnemen
11. Frequentie (MHz) Golflengte (m) Redshift Tijd na Big Bang (mljn. jaar) 200 1,5 6 1000 150 2 8 600 100 3 13 300 50 6 20 110 30 10 50 50 10 30 160 10
12.  Golflengten van 2 tot 10 meter  Grote antennes nodig  Individuele enkelvoudige schotels zijn te klein  Arecibo, 305m doormeter, geschikt voor radiowaarnemingen golflengte 3cm – 1m  Interferometrische arrays nodig om grotere baseline te krijgen
16.  Van 50 tot 1000 miljoen jaar na de Big Bang  Voor elk tijdstip een beeld  Van de verdeling van neutraal waterstof  Ergens in deze periode begint stervorming  Op die plekken verdwijnen de H nevels  En ontstaan “gaten” in het 21cm patroon  Zo hoopt men een “film” te maken van kort na de CMB tot aan het bekende vroege heelal
18.  LOw Frequency ARray  Initiatief van Astron, NL  Ong 20.000 antennes, op gebied van 100 km doormeter  Vooral in NL, deels in Duitsl, Frankr, GB, Zweden  Antennes verbonden via glasvezelnetwek aan een supercomputer
20. ADC bij elke antenne: 200.000.000 samples/sec, 4096 levels = 24e8 bits/sec = 2,2 GB/sec (één antenne!) Met 7000 antennes: 15 TB/sec
22.  Operationeel sinds vorig jaar  Vooral bevindingen over algoritmes voor dataverwerking, filteren, kalibreren, verwijderen van ruis etc.  Eerste resultaten van waarnemingen aan hogere frequenties (januari 2013)  Nog niets over de dark ages… afwachten
23.  Square Kilometer Array  Equivalent met schotel van 1 vierkante km  In Western Australia (en Zuid Afrika)  Fase 1 (2016-2020), fase 2 (2020-2024)  Patroon van locaties van antennes:
24.  Aardse radio golven verstoren de waarneming  Radio array buiten aarde handigst op vaste grond, niet zwevend, … op de maan!  Maar aarde moet buiten beeld zijn  Dus op de achterkant van de maan  De NASA zou plannen hebben…(?)  Bijv. MIT: “Moonscope” (2008)
25.  New Scientist, “The missing reel”, Loeb and Pritchard, 27-10-2012  Pritchard and Loeb, “21-cm cosmology in the 21st century”, Jan. 2012, http://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf  http://www.lofar.org/  http://www.skatelescope.org/