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Mapeo de intensidad

En cosmología, el mapeo de intensidad es una técnica de observación para estudiar la estructura a gran escala del universo utilizando la emisión de radio integrada de nubes de gas no resueltas.

En su variante más común, el mapeo de intensidad de 21 cm , se utiliza la línea de emisión de 21 cm del hidrógeno neutro para rastrear el gas. El hidrógeno sigue las fluctuaciones en el campo de densidad cósmica subyacente, con regiones de mayor densidad que dan lugar a una mayor intensidad de emisión. Por lo 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 hacia el rojo por la expansión del Universo, por lo que al utilizar receptores de radio que cubren una amplia banda de frecuencia, se puede detectar esta señal en función del desplazamiento hacia el rojo y, por lo tanto, del tiempo cósmico. Esto es similar en principio a un estudio de desplazamiento hacia el 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

Aplicaciones científicas

Se ha propuesto el mapeo de intensidad 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. [9] Este período de la historia del Universo corresponde a desplazamientos al rojo de a , lo que implica un rango de frecuencia para experimentos de mapeo de intensidad de 50 a 200 MHz.

Estructura a gran escala y energía oscura

En épocas tardías, después de que el Universo se haya 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 ultravioleta ionizante . Estos se encuentran predominantemente en galaxias, por lo que la señal de hidrógeno neutro es efectivamente un trazador de la distribución de galaxias.

Al igual que con los estudios de corrimiento al rojo de galaxias, las observaciones de mapeo de intensidad se pueden utilizar para medir la geometría y la tasa de expansión del Universo (y por lo tanto las propiedades de la energía oscura [1] ) utilizando la característica 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 , [10] también se puede medir utilizando distorsiones espaciales de corrimiento al rojo . Ambas características se encuentran en grandes escalas de decenas a cientos de megaparsecs , por lo que los mapas de baja resolución angular (sin resolver) de hidrógeno neutro son suficientes para detectarlas. Esto debe compararse con la resolución de un estudio de corrimiento al rojo, que debe detectar galaxias individuales que típicamente tienen solo decenas de kiloparsecs de ancho.

Debido a que los estudios de mapeo de intensidad se pueden realizar mucho más rápido que los estudios de corrimiento al rojo óptico convencionales, es posible mapear volúmenes significativamente mayores del Universo. Por ello, el mapeo de intensidad se ha propuesto como una forma de medir fenómenos en escalas extremadamente grandes, incluida la no gaussianidad primordial de la inflación [11] y las correcciones relativistas generales a la función de correlación de la materia . [12]

Líneas de estructura molecular y fina

En principio, cualquier línea de emisión puede utilizarse 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 realizado estudios de mapeo de intensidad o planean realizarlos en el futuro.

El Centro de Vuelo Espacial Goddard también alberga una lista de experimentos de mapeo de intensidad.

Referencias

  1. ^ ab Bull, Philip; Ferreira, Pedro G.; Patel, Prina; Santos, Mario G. (2015). "Cosmología de tiempos tardíos con experimentos de mapeo de intensidad de 21 cm". The Astrophysical Journal . 803 (1): 21. arXiv : 1405.1452 . Bibcode :2015ApJ...803...21B. doi :10.1088/0004-637X/803/1/21. S2CID  118350366.
  2. ^ Varshalovich, DA; Khersonskii, VK (1977-08-01). "Distorsión del espectro de radiación primordial por la línea de hidrógeno de 21 cm en las épocas z = 150-15". Soviet Astronomy Letters . 3 : 155. Bibcode :1977SvAL....3..155V.
  3. ^ Madau, Piero; Meiksin, Avery; Rees, Martin J. (1997). "Tomografía de 21 centímetros del medio intergaláctico a alto corrimiento al rojo". The Astrophysical Journal . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph/9608010 . Código Bibliográfico :1997ApJ...475..429M. doi :10.1086/303549. S2CID  118239661.
  4. ^ Bharadwaj, Somnath; Sethi, Shiv K. (diciembre de 2001). "Fluctuaciones de HI en grandes corrimientos al rojo: correlación I-visibilidad". Revista de Astrofísica y Astronomía . 22 (4): 293–307. arXiv : astro-ph/0203269 . Código Bibliográfico :2001JApA...22..293B. doi :10.1007/BF02702273. S2CID  14605700.
  5. ^ Battye, Richard A.; Davies, Rod D.; Weller, Jochen (2004). "Estudios de hidrógeno neutro para cúmulos y protocúmulos de galaxias de alto corrimiento al rojo". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 355 (4): 1339–1347. arXiv : astro-ph/0401340 . Bibcode :2004MNRAS.355.1339B. doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.08416.x . S2CID  16655207.
  6. ^ Peterson, Jeffery B.; Bandura, Kevin; Pen, Ue Li (2006). "El sondeo de hidrógeno de la esfera Hubble". arXiv : astro-ph/0606104 . Código Bibliográfico :2006astro.ph..6104P. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  7. ^ 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 a 21 cm con un corrimiento al rojo z ≈ 0,8". Nature . 466 (7305): 463–465. Bibcode :2010Natur.466..463C. doi :10.1038/nature09187. PMID  20651685. S2CID  4404546.
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  9. ^ Loeb, Abraham; Zaldarriaga, Matias (mayo de 2004). "Medición del espectro de potencia a pequeña escala de las fluctuaciones de densidad cósmica mediante tomografía de 21 cm antes de la época de formación de estructuras". Physical Review Letters . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph/0312134 . Código Bibliográfico :2004PhRvL..92u1301L. doi :10.1103/PhysRevLett.92.211301. PMID  15245272. S2CID  30510359.
  10. ^ Hall, Alex; Bonvin, Camille; Challinor, Anthony (19 de marzo de 2013). "Prueba de la relatividad general con mapeo de intensidad de 21 cm". Physical Review D . 87 (6): 064026. arXiv : 1212.0728 . Código Bibliográfico :2013PhRvD..87f4026H. doi :10.1103/PhysRevD.87.064026. S2CID  119254857.
  11. ^ Cámara, Stefano; Santos, Mário G.; Ferreira, Pedro G.; Ferramacho, Luís (2013). "Cosmología en escalas ultragrandes con mapeo de intensidad de la emisión de hidrógeno neutro a 21 cm: límites de la no gaussianidad primordial". Physical Review Letters . 111 (17): 171302. arXiv : 1305.6928 . Código Bibliográfico :2013PhRvL.111q1302C. doi :10.1103/PhysRevLett.111.171302. PMID  24206474. S2CID  27160707.
  12. ^ Martín, Roy; Zhao, Gong-Bo; Tocino, David; Koyama, Kazuya; Raccanelli, Alvise (26 de febrero de 2013). "Correcciones relativistas y no gaussianidad en encuestas de radio continuo". Revista de Cosmología y Física de Astropartículas . 2013 (2): 044. arXiv : 1206.0732 . Código Bib : 2013JCAP...02..044M. doi :10.1088/1475-7516/2013/02/044. S2CID  21985095.
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  14. ^ Gong, Yan; Cooray, Asantha; Silva, Marta; Santos, Mario G.; Bock, James; Bradford, C. Matt; Zemcov, Michael (enero de 2012). "Mapeo de intensidad de la línea de estructura fina [CII] durante la época de reionización". The Astrophysical Journal . 745 (1): 49. arXiv : 1107.3553 . Bibcode :2012ApJ...745...49G. doi :10.1088/0004-637X/745/1/49. S2CID  41261385.
  15. ^ Pullen, Anthony R.; Doré, Olivier; Bock, Jamie (mayo de 2014). "Mapeo de intensidad a través de tiempos cósmicos con la línea Lyα". The Astrophysical Journal . 786 (2): 111. arXiv : 1309.2295 . Bibcode :2014ApJ...786..111P. doi :10.1088/0004-637X/786/2/111. S2CID  50979853.
  16. ^ "Proyecto Tianlai" . Consultado el 20 de febrero de 2020 .
  17. ^ "Cahill Radio Astronomy Lab - CRAL" (Laboratorio de radioastronomía Cahill - CRAL). www.astro.caltech.edu . Consultado el 6 de noviembre de 2017 .
  18. ^ Wang, Jingying; Santos, Mario G.; Bull, Philip; Grainge, Keith; Cunnington, Steven; Fonseca, Jose; Irfan, Melis O.; Li, Yichao; Pourtsidou, Alkistis; Soares, Paula S.; Spinelli, Marta (2021). "Mapeo de intensidad de Hi con MeerKAT: Proceso de calibración para observaciones de autocorrelación multiplato". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 505 (3): 3698–3721. arXiv : 2011.13789 . doi : 10.1093/mnras/stab1365 .

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