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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 mediante el uso de 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 hidrógeno neutro de 21 cm para rastrear el gas. El hidrógeno sigue 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 pueden utilizarse para reconstruir el espectro de potencia de las fluctuaciones de la materia . La frecuencia de la línea de emisión se desplaza al rojo debido a la expansión del Universo, por lo que utilizando receptores de radio que cubran una amplia banda de frecuencia, se puede detectar esta señal en función del desplazamiento al rojo y, por tanto, del tiempo cósmico. Esto es similar en principio a un estudio del corrimiento 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

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 reionización

Entre los tiempos de la recombinación y la reionización , el contenido bariónico del Universo –principalmente hidrógeno– existió en 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 temprana de estructuras. [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 ha reionizado , la mayor parte del hidrógeno neutro restante se almacena en densas nubes de gas llamadas sistemas Lyman-alfa amortiguados , donde queda protegido de la radiación ultravioleta 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 corrimiento al rojo de galaxias, las observaciones de mapeo 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] ) utilizando la característica de oscilación acústica bariónica en el espectro de energía de la materia como regla estándar. . La tasa de crecimiento de la estructura, útil para probar modificaciones de la relatividad general , [10] también se puede medir utilizando distorsiones espaciales de corrimiento 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 (sin resolver) de hidrógeno neutro son suficientes para detectarlas. Esto debería compararse con la resolución de un estudio de corrimiento al rojo, que debe detectar galaxias individuales que normalmente tienen sólo decenas de kiloparsecs de diámetro.

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. Como tal, el mapeo de intensidad se ha propuesto como una forma de medir fenómenos a 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 se puede utilizar 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 mapeo de intensidad o planean realizarlos en el futuro.

El Centro de Vuelos Espaciales Goddard también alberga una lista de experimentos de mapeo de intensidad.

Referencias

  1. ^ ab Toro, Felipe; Ferreira, Pedro G.; Patel, Prina; Santos, Mario G. (2015). "Cosmología tardía con experimentos de mapeo de intensidad de 21 cm". La revista astrofísica . 803 (1): 21. arXiv : 1405.1452 . Código Bib : 2015ApJ...803...21B. doi :10.1088/0004-637X/803/1/21. S2CID  118350366.
  2. ^ Varshalovich, DA; Khersonskii, VK (1 de agosto de 1977). "Distorsión del espectro de radiación primordial por la línea de hidrógeno de 21 cm en las épocas z = 150-15". Cartas de astronomía soviética . 3 : 155. Código Bib : 1977SvAL....3..155V.
  3. ^ Madau, Piero; Meiksin, Avery; Rees, Martín J. (1997). "Tomografía de 21 centímetros del medio intergaláctico con alto corrimiento al rojo". La revista astrofísica . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph/9608010 . Código Bib : 1997ApJ...475..429M. doi :10.1086/303549. S2CID  118239661.
  4. ^ Bharadwaj, Somnath; Sethi, Shiv K. (diciembre de 2001). "Fluctuaciones de HI con grandes corrimientos al rojo: correlación de visibilidad I". Revista de Astrofísica y Astronomía . 22 (4): 293–307. arXiv : astro-ph/0203269 . Código Bib : 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". Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica . 355 (4): 1339-1347. arXiv : astro-ph/0401340 . Código bibliográfico : 2004MNRAS.355.1339B. doi :10.1111/j.1365-2966.2004.08416.x. S2CID  16655207.
  6. ^ Peterson, Jeffery B.; Bandura, Kevin; Pluma, Ue Li (2006). "El estudio de hidrógeno de la esfera del Hubble". arXiv : astro-ph/0606104 . Código bibliográfico : 2006astro.ph..6104P. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
  7. ^ Chang, Tzu-Ching; Pluma, Ue-Li; Bandura, Kevin; Peterson, Jeffrey B. (22 de julio de 2010). "Un mapa de intensidad de la emisión de hidrógeno de 21 cm con un corrimiento al rojo z ≈ 0,8". Naturaleza . 466 (7305): 463–465. Código Bib :2010Natur.466..463C. doi : 10.1038/naturaleza09187. PMID  20651685. S2CID  4404546.
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  9. ^ Loeb, Abraham; Zaldarriaga, Matías (mayo de 2004). "Medición del espectro de potencia a pequeña escala de las fluctuaciones de la densidad cósmica mediante tomografía de 21 cm antes de la época de formación de estructuras". Cartas de revisión física . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph/0312134 . Código bibliográfico : 2004PhRvL..92u1301L. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.211301. PMID  15245272. S2CID  30510359.
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  11. ^ Cámara, Stefano; Santos, Mario G.; Ferreira, Pedro G.; Ferramacho, Luis (2013). "Cosmología en escalas ultragrandes con mapeo de intensidad de la emisión de hidrógeno neutro de 21 cm: límites de la no gaussianidad primordial". Cartas de revisión física . 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.
  13. ^ Lidz, Adán; Furlanetto, Steven R.; Peng Oh, S.; Aguirre, James; Chang, Tzu-Ching; Doré, Olivier; Pritchard, Jonathan R. (10 de noviembre de 2011). "MAPEO DE INTENSIDAD CON LÍNEAS DE EMISIÓN DE MONÓXIDO DE CARBONO Y LA LÍNEA DESPLAZADA AL ROJO DE 21 cm". La revista astrofísica . 741 (2): 70. arXiv : 1104.4800 . Código Bib : 2011ApJ...741...70L. doi :10.1088/0004-637X/741/2/70. S2CID  45158086.
  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 la reionización". La revista astrofísica . 745 (1): 49. arXiv : 1107.3553 . Código Bib : 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". La revista astrofísica . 786 (2): 111. arXiv : 1309.2295 . Código Bib : 2014ApJ...786..111P. doi :10.1088/0004-637X/786/2/111. S2CID  50979853.
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  18. ^ Wang, Jingying; Santos, Mario G.; Toro, Felipe; Grainge, Keith; Cunnington, Steven; Fonseca, José; Irfan, Melis O.; Li, Yichao; Pourtsidou, Alkistis; Soares, Paula S.; Spinelli, Marta (2021). "Mapeo de alta intensidad con MeerKAT: proceso de calibración para observaciones de autocorrelación de múltiples platos". Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica . 505 (3): 3698–3721. arXiv : 2011.13789 . doi :10.1093/mnras/stab1365.

enlaces externos