HISTORIA IONIZACJI WODORU
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 64

Wodór jest neutralny DARK AGES PowerPoint PPT Presentation


  • 58 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

HISTORIA IONIZACJI WODORU. Red Shift z = 0 z~6 z~1000 z=?. Wodór zjonizowany przez pierwsze powstałe gwiazdy i kwasary. Wodór jest neutralny DARK AGES. T>3000K Wodór jest zjonizowany

Download Presentation

Wodór jest neutralny DARK AGES

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Wod r jest neutralny dark ages

HISTORIA IONIZACJI WODORU

Red Shift

z = 0 z~6 z~1000 z=?

Wodór zjonizowany przez pierwsze powstałe gwiazdy i kwasary

Wodór jest neutralny

DARK AGES

T>3000K

Wodór jest zjonizowany

Powierzchna ostatniego rozproszenia

?

WW

Wiek Wszechświata

~14*109 lat109 lat 4*105 lat0

(dzisiaj)

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

przypominam

1+z = l (obserwowane) / l (emitowane)

  • Kosmologiczny red shift z

  • jest wynikiem rozszerzania się Wszechświata a NIE ruchu galaktyk

  • jest wielkością o jaką światło z odległego obiektu jest przesunięte ku podczerwieni

  • mierzy względny rozmiar Wszechświata w czasie emisji światła

  • mierzy odległość obiektów we Wszechświecie

  • Im większe z tym

    • Odleglejszy jest obiekt emitujący światło

    • Młodszy był Wszechświat gdy światło zostało wyemitowane.

  • światło z z = 1 zostało wyemitowane gdy Wszechświat miał ½ obecnego promienia

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Związek z z czasem t

Model Einstein-de Sitter Równanie Friedmanna

Płaski, zdominowany przez materię Wszechświat

1+z = 1/a(t)

a - bezwymiarowy czynnik skali

a = R(t)/R(t0), t0 – dzisiaj

a(t0) = 1

R(t) = R(t0) (3H0t/2)2/3

Time dilatation –

  • obserwowane w krzywych świetlnych SN

  • pojawi się przy dyskusji obserwacji poświaty towarzyszącej GRB

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Nasza wiedza: Niektóre z istniejących i planowanych urządzeń

  • Spitzer Space Telescope

  • formerly SIRTF, the Space Infrared Telescope Facility

  • W. M. Keck Observatory

  • 2*10 m telescopes

  • Hubble Space Telescope

  • Sloan Digital Sky Survey

  • WMAP, PLANCK

  • NGST =James Webb Space Telescope = Next Generation Space Telescope (6.5m)

  • Square Kilometre Array, international radio telescope for the 21st century, LOFAR …..

?

[PPT]sancerre.as.arizona.edu/~fan/talk/first.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Materia barionowa przed powstaniem galaktyk przechodzi 3 fazy:

    • z > 1100 gęsta, całkowicie zjonizowana plazma

  • Wysoka temperatura T > 104K ,

  • W pełni zjonizowana materia oddziaływuje z promieniowaniem elektromagnetycznym.

  • Wszechświat jest nieprzezroczysty, fotony rozpraszane na swobodnych elektronach (rozproszenie Comptona)

  • wiek Wszechświata 300 000 lat ~ Zjonizowana, gęsta materia dla z>1100 była zbadana przez obserwację promieniowanie CMB, które odprzęgło się na powierzchni ostatniego rozproszenia.

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • z < 1000

    • W miarę rozszerzania się Wszechświata stygnie,

    • powstają niezjonizowane atomy wodoru

    • Wszechświat staje się bardziej przezroczysty ale niezjonizowane atomy wodoru absorbują określone długości fali

    • nie ma źródeł światła.

    • Materia pozostaje neutralna w zakresie ~14 < z< 1100.

    • DARK AGES.

  • Dla 6 < z < 14 następuje epoka ponownej jonizacji „rejonizacja” która jest wynikiem oddziaływania światła UV pierwszych powstałych gwiazd.

  • Zrozumienie rejonizacjijest zasadnicze w badaniu powstawania wielkich struktur. Przynosi informacje o postawaniu pierwszych obiektów świecących.

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • z <6 istnieją już Galaktyki

    • wiek Wszechświata ~109 – 1.4*1010 lat

    • Źródła światła są na tyle liczne że wodór jest całkowicie zjonizowany

    • Wszechświat jest zupełnie przezroczysty

Czyli sytuacja na dzisiaj

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • EPOKA REIONIZACJI

  • Gdy temperatura Wszechświata obniżyła się tak, że powstały atomy wodoru rozpoczyna się okres DARK AGES. Informacje o początku tego okresu niesie CMB, badany np. przez WMAP) przed powstaniem pierwszych gwiazd

  • Gdy powstaną pierwsze gwiazdy następuje ponowna jonizacja wodoru

  • Kiedy to nastąpiło

  • Jaki był mechanizm reionizacji

Dark AgesEra from

3*105 - 109 yr after the Big Bang during which the first stars and galaxies formed

?

http://www.astro.caltech.edu/~george/reion/reionexplbig.jpg

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Otwarte Pytania dotyczące rejonizacji

  • Kiedy powstały pierwsze galaktyki

  • Kiedy nastąpiła rejonizacja: późno czy wcześnie

    • Z~6 późno

    • Z~15 wcześnie

  • Jakie były jej źródła

    • AGN

    • Inne zjawiska

  • Jak szybko wodór w IGM (Inter Galactic Medium) zmienił się z neutralnego w zjonizowany.

    • Poprzez przejście fazowe

    • Raz czy dwukrotnie

    • W sposób ciągły

  • Jaki był wpływ rejonizacji na procesy powstawania galaktyk.

Opis LOFAR http://www.lofar-uk.org/„white paper

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • pierwsze gwiazdy powstają z H i He

  • Czy ich częstość powstawania (Star Formation Rate) jest dostatecznie duża by zjonizować Wszechświat

  • W jaki sposób i kiedy powstają ciężkie pierwiastki obecne w IGM

    Ich ilość (metallicity) Z ~10-4 ZO

Z =

„Fe” z def. ma A większe od He.

www.lanl.gov/conferences/firststars3/abstracts_and_talks/d_yonetoku_poster.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Pierwsze światło

  • Wydaje się że pierwsze światło zostało zaobserwowane przez Spitzer Space Telescope NASY

  • Wyemitowane w Ursa Major w długościach fal widzialnych lub ultrafiolecie zostało zaobserwowane przez IRAC w podczerwieni

  • Do Wyniku prowadzi analiza, nie jestem pewna czy akceptowalna przez wszystkich.

Infrared Array Camera

http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2006-22/ssc2006-22a.shtml

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Informacje o rejonizacji pochodzą / będą pochodzić z

  • Obserwacji odległych kwasarów. (QSO)

    • Najbardziej zaawansowane jest badanie i zrozumienie widm kwasarów.

  • Obserwacji widm odległych GRB

    • Wydaje się że ze względu na szereg zalet

    • w porównaniu z QSOistotne jest badanie GRB

  • Obserwacji radiowych w obszarach niskich częstości

    • np. LOFAR – LOw FRequency ARray

    • IPJ jest zaangażowany w prace nad LOFARem

  • Polaryzacji CMB

    • zrozumienie polaryzacji promieniowania CMB jest trudne.

Własności atomuwodoru

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Dlaczego wodór

.

  • Wielki Wybuch t = 0

    • Temperatura jest bardzo wysoka

    • Gęstość ogromna

  • Inflacja t = 10-35 sec, T = 1027 K .

    • Gwałtowne rozszerzanie się Wszechświata

    • Maleje jego gęstość i temperatura

    • Nie ma struktur, w morzu fotonów istnieją kwarki i leptony.

  • t ~10-6sec T~1012 K

    • z kwarków powstają protony i neutrony

  • t~ 3 – 4 minuty T= 109K

    • powstają jądra He (6 % jader He i 94% protonów )

Szukac pod /Mike/Powerpoint/ „Early Universe”

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • t ~ 300 000 lat T ~3000K

    • Materia we Wszechświecie staje się neutralna,

    • fotony odprzęgają się od materii,

    • te fotony znane są jako promieniowanie mikrofalowe (CMB) i obserwowane z temperatura 2.73 K.

    • powstają atomy wodoru i He

  • Niewielkie ilości Li zostały wyprodukowane we wczesnym Wszechświecie

  • Niewielkie ilości He powstają w procesach zachodzących w gwiazdach

  • Pierwiastki cięższe od He powstają w jądrach gwiazd.

  • Wszechświat – materia widzialna - 6 % jąder He i 94% protonów.

Teoria Wielkiego Wybuchu wyjaśnia istniejące w przyrodzie ilości pierwiastków (H, He, D, Li).

Wszystkie protony, neutrony i elektrony, które dzisiaj istnieją we Wszechświecie powstały kilka sekund po Wielkim Wybuchu

Pod wpływem grawitacji z H i He powstają gwiazdy i galaktyki. Cześć H i He pozostaje w materii między gwiezdnej.

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Atom Wodoru:SERIA LYMANA

  • Seria Lymana emisja kwantów gama przy przejściu z elektronu z poziomu n>=2 do poziomu o n=1.

  • Długość fali

    gdzie R jest stałą Rydberga

  • l dla tych przejść jest całkowicie w ultrafiolecie

  • Linia przejscia n=2 n=1 jest to

    Lyman al = 121 nm

http://www.astro.caltech.edu/~george/reion/reionexplbig.jpg

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

seria Balmera - bliski QSO

n Balmerl(nm)

2 a656.3

3 b486.1

4 g434.1

5 d410.2

6 e397.0

Red shift z można wyznaczyć o ile znana jest długość fali emitowanej. Tutaj zidentyfikowane linie z serii Balmera wodoru.

1+z = l (obserwowane) / l (emitowane)

Hb(4861.33 A) przesunięta do 5640.34 A

Bardzo bliski QSO z = 0.158

http://casswww.ucsd.edu/public/tutorial/Quasars.html

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Pochłanianie światła w neutralnym wodorze

QSO

GRB

obserwacjaemisja

w podczerwieniLY a

l = l(LY a) *(1+z) wnadfiolecie

http://cfa-www.harvard.edu/events/2002/grbconf/index/speaker_presentation/loeb.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

pomiar

Obserwacja kwasara / GRB

Źródło

  • QSO ( Ly a)

  • GRB

  • CMB są źródłami światła które podświetlają rozszerzającą się przestrzeń między źródłem a obserwatorem

= neutralny H

Pierwsza jonizacja

z – look back time

  • Rozszerzający się Wszechświat wypełniony neutralnym H byłby nieprzezroczysty dla fotonów w z energia poniżej 10.2 eV ( 121 nm). Nawet niewielka ilość neutralnego H pochłania fotony.

  • Fotony o wyższej energii jonizują H.

  • Ly a jest wzbudzeniem elektronu ze stanu n=1 do stanu n=2.

  • Obie linie Ly a – emisji i absorpcji sa bardzo silne

www.mpe.mpg.de/~amueller/downloads/talks/ppt/1stQSOs.ppt

http://www.physicstoday.org/vol-54/iss-10/p17.html www.mpe.mpg.de/~amueller/downloads/talks/ppt/1stQSOs.ppt

Szukaj amueller talks 1stQSOs

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Kwasary Quasi-stellar radio source, quasi stellar object

  • Większośc quasarów NIE jest źródłem promieniowania radiowego

  • Najkrótsza charakterystyka kwasarów

  • Bardzo jasne, jedne z najjaśniejszych we Wszechświecie, i odległe obiekty

  • Pojedynczy kwasar może być jaśniejszy tysiąc razy od całej galaktyki.

  • Jasność może być zmienna z okresem ~godzin.

  • Energia kwasara pochodzi z objętości ~ objętości naszego Układu Slonecznego

  • kwasar jest jądrem młodej galaktyki

  • Wydaje się że energia kwasara pochodzi z gazu zasysanego przez super ciężką czarną dziurę

  • Taka czarna dziura może mieć M ~109 Mo

O QSO http://www.astr.ua.edu/keel/agn/quasar40.html

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

kwasary we Wszechświecie

  • Gęstość kwasarów r szybko maleje ze wzrostem z: r(z=2.5) / r (z=6) =40.

  • Znane liczby QSO: z>4: ponad 1000

    z>6: około 15

Rekordzista 2007

z = 6.43

t = 870 *106 ABB

Canada-France-Hawaii Telescope CFHQS J2329-0301

www.cfa.ustc.edu.cn/others/summerschool/Doc/%E6%A8%8A%E6%99%93%E8%BE%89/%E6%A8%8A%E6%99%93%E8%BE%893.ppt [PPT]widefield.lbl.gov/talks2004/fan_snap2.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Widma kwasarów w ich układzie nie wydają się zależeć od z

małe z

z ~ 6

http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/inkonf/inkonf_185.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Obserwowane Widmo kwasara

l

intensywność

Przechodzący strumień

Rynna – pełna absorpcja

Obserwowana Długość fali - z – look back time

  • Las Ly a (linie absorpcyjne) powstaje gdy ultrafiolet odległego źródła jest absorbowany przez randomnie rozłożone kieszenie neutralnego wodoru

  • Przestrzeń jednorodnie wypełniona neutralnym H powoduje całkowitą absorpcję - „rynnę”. Jest to efekt (przewidziany przez) Gunn-Petersona.

http://www.physicstoday.org/vol-54/iss-10/p17.html

www.mpe.mpg.de/~amueller/downloads/talks/ppt/1stQSOs.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • kwasar

  • Linia obserwacji

  • zjonizowane bąble gazu na linii obserwacji quasara

  • Pojedyncze zjonizowane bąble

  • Nieprzezroczysty obojętny gaz we wczesnym Wszechświecie

  • Obszar silnego pochłaniania przez obojętny gaz

  • Pojedyncze obszary transmisji przez już zjonizowany gaz.

1

2

3

4

5

Obserwowane widmo

7

6

Długość fali – red shift

http://www.astro.caltech.edu/~george/reion/reionexplbig.jpg

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

l = 700nm 800nm 900nm

Widma kwasarów z dużymi z

Emitowana l to 121 nm (Lya)

  • Podobieństwo kształtu widm dla róznych z

  • Dla maksymalnych znanych z widoczne całkowite pochłoniecie strumienia

  • Obserwacja „rynny: Gunn-Petersona spowodowanej obecnościa neutralnego wodoru w gazie międzygwiezdnym

  • dane SDSS–Sloan Digital Sky Survey – dedykowany 2.5m teleskop na Apache Point, NM

http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/inkonf/inkonf_185.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

46,420 Quasars from the SDSS Data Release Three

  • Spectra of the 11 quasars, from 5.74 to 6.42.

  • Note the two prominent spectral features: the presence of strong emission lines, not only ly a,

  • but also strong metal lines, from N, C, Si etc., indicating high metallicity in the quasar environement;

  • and the strong evolution and complete absorption of ly a forest, where the complete or almost complete g-p troughs appear at z>6.

5

2

Ly

CIII

redshift

MgII

1

wavelength

4000 A

9000 A

PPT]www.mporzio.astro.it/~fiore/VAT/Fan.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

W widmie dla z = 5.82 i 5.99 las Ly-a pojawia się zaraz koło maksimum Ly-a QSO po stronie krótszych długości fal.

Dla z=6.28 średni transmitowany strumień w zakresie 845 nm < l <871nm jest zgodny z 0.

Jest to przekonywująca obserwacja rynny Gunn-Petersona, spowodowanej przez neutralny wodór w IGM.

Nawet niewielka ilość neutralnego wodoru w IGM powoduje absorpcję strumienia w obszarze lasu Lyα.

Istnienie rynny G-P jako takiej nie pokazuje jeszcze ze QSO jest obserwowany przed epoką rejonizacji.

Średnia zmiana absorpcji dla QSO z dużymi z sugeruje że średnia jonizacja wzdłuż linii obserwacji zmalała znacząco od z ~5 do z~6. i że Wszechświat zbliża się do epoki jonizacji przy z ~6.

Widma Lyα kwasarów odkrytych przez SDSS

Dane z 10-m Keck II teleskopu Mauna Kea na Hawajach. .

  • Do z~5.7, Lyα absorpcja

  • zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami z mniejszych red shiftów.

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

CFHQS J1509-1749 at z=6.12,

Effective optical depth from the spectrum of CFHQS J1509-1749 (Lyman alpha: red symbols, Lyman beta: blue symbol).

The small black symbols show data from SDSS quasars (Fan et al. 2006).

The solid line is the extrapolation of optical depth evolution at lower redshift.

For J1509-1749 and the SDSS quasars, there is a more rapid evolution at z > 5.4 than indicated in this extrapolation.

The dotted and dot-dashed lines are the effective optical depth evolution for two theoretical models.

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0706/0706.0914v2.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Lyman transmission in the spectrum of CFHQS J1509-1749.

CFHQS J1509-1749 at z=6.12,

  • Red squares show the Lya transmission and the blue square is the Lyb transmission in bins of width z = 0.15.

  • Small circles show the Lya

    transmission from the sample of 19 SDSS quasars (Fan et al. 2006b).

  • The solid line is the fit to the Lya transmission of z < 5.5 quasars (Fan et al. 2006b).

  • The dashed line was obtained by (Becker et al. 2007) by fitting flux PDFs of z < 5.4 quasars with a lognormal optical depth distribution.

  • At z > 5.7 our data (and most of those in the SDSS) fall below the extrapolation of the Fan et al. curve.

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0706/0706.0914v2.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Rejonizacja obserwowana w widmie kwasarów

QSO obserwowane przez SDSS z>5.8

  • Obserwacja rynny Gunn Petersona dla fal krótszych od Ly a i Ly b

  • Silna i trudna do symulacji linia emisyjna Ly a

  • Silny efekt sąsiedztwa wpływający na jonizacje IMG

To są minusy QSO

Ale jest jeszcze informacja z CMB, GRB oraz linii 21 cm…

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Stromgren sphere

  • Region of ionized hydrogen (HII, T~10 000K) surrounding a hot, young O-B star.

  • The hydrogen is ionized by the ultraviolet photons being emitted by the hot star.

  • Stromgrem spheres are also called HII regions.

przykład

Rosette Nebula

http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses//astro201/stromgren_sphere.htm

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Informacje z anisotropii CMB

  • Wczesny Wszechświat

    Primary anisotropies niosą informację o różnych charakterystykach Wszechświata w okresie gdy fotony CMB rozproszyły się po raz ostatni (last scattering) gdy Wszechświat stał się neutralny (z ~ 1100).

    • fluktuacje temperatury,

    • Fluktuacje gęstości i prędkości plazmy

      Zrozumienie primary anisotropiesjest niezbędne dla użycia wyników badania CMB do testów modeli kosmologicznych

  • Powstawanie wielkich struktur

    Secondary anisotropies - powstają w wyniku oddziaływań CMB fotonów z materią na drodze do obserwatora.

    • efekty grawitacyjne (Gravitational lensing, non-static gravitational potential wells),

    • efekty scatteringu (Sunyaev-Zel'dovich (SZ) thermal effect , Doppler effects)..

      Secondary anisotropiespomagają w zrozumieniu powstawania i rozwoju struktur..

http://www.ias.u-psud.fr/website/modules/content_mic/index.php?id=35

Dyskusja skal katowych w http://sancerre.as.arizona.edu/~fan/papers/annurev.astro.44.051905.pdf

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Komentarz: Problem polaryzacji jest trudny

  • Polega na rozdzieleniu wkładu od tego

    • co zdarzyło się na powierzchni ostatniego rozproszenia

    • co zdarzyło się na drodze CMB do obserwatora

  • Takie rozdzielenie pozwala na wyciąganie wniosków dot.

    • kosmologii (primary anisotropies) oraz

    • obecności zjonizowanego wodoru i oddziaływań grawitacyjnych na drodze do obserwatora. (Secondary anisotropies).

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

fotony CMB

  • Fotony CMB oddziaływają

  • grawitacyjne (efekt integrated Sachs-Wolfe)

  • Z elektronami w klustrach galaktyk : efekt Sunyaeva-Zeldovicha

    • thermal - Inverse Compton scattering),

    • Doppler shift Kinematic Sunyaev-Zeldovich Effect

Hot plasmas

www.physics.sc.edu/neutrino/workshop/SZ_Effect.ppt

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Anizotropia temperatury w CMB jest dobrze znana

  • Polaryzacja (mierzona przez WMAP) jest wynikiem stosunkowo nowym

  • Polaryzacja daje informacje zarówno o Wszechświecie w czasie t~10-35 sec jak i historii jonizacji.

  • Stopień polaryzacji zależy bezpośrednio od kwadrupolowych fluktuacji gęstości rozpraszanych fotonów.

  • Patern polaryzacji jest odbiciem lokalnej anizotropii na powierzchni last scattering.

  • Fluktuacje temperatury mogą mieć 3 źródła: fluktuacje skalarne, wektorowe i tensorowe

http://astro.berkeley.edu/~mwhite/polar/node1.html#SECTION00010000000000000000

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • MECHANIZM POWSTAWANIA POLARYZACJI

  • Anizotropie temperaturowe są rzedu 10-5K, polaryzacja rzędu 10-6, czyli poniżej mK, co przedstawia wyzwanie dla pomiaru.

  • Anizotropie kwadrupolowe, które powodują powstanie polaryzacji CMB, są wynikiem różnych mechanizmów w różnych okresach.

  • W okresie z ~1100 (decoupling) gradient prędkości plazmy powoduje powstanie kwqdrupolowych rozkładów. ( w układzie środka masy elektronu promieniowanie reliktowe ma rozkład kwadrupolowy proporcjonalny do gradientu prędkości i średniej drogo swobodnej między rozproszeniami)

  • Dla z>1100 fotony sprzęgają się silnie z elektronami, średnia droga swobodna między rozproszeniami jest mała i więc mała jest polaryzacja.

  • Dla z< 1100 nie ma swobodnych elektronów i

  • CMB może się rozpraszać dopiero gdy pojawia się swobodne elektrony, tzn. gdy światło pierwszego pokolenia gwiazd zacznie jonizować Wszechświat.

  • Ten proces zachodzi dla z<<z = 1100, i może być wydzielony z sygnału rozproszenia na last scattering surface.

http://www.journals.uchicago.edu/ApJ/journal/issues/ApJS/v170n2/64895/64895.html

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Temperature perturbations have 3 geometrically distinct sources:

the scalar (compressional), scalar modesrepresent perturbations in the (energy) density of the cosmological fluid(s) at last scattering and are the only fluctuations which can form structure though gravitational instability

vector (vortical) and

tensor (gravitational wave) perturbations.

Formally, they form the irreducible basis of the symmetric metric tensor.

We shall consider each of these below and show that the scalar, vector, and tensor quadrupole anisotropy correspond to respectively.

This leads to different patterns of polarization for the three sources

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

Secondary anisotropies get contributions from the entire line of sight

Sachs-Wolfe effect It is broken into two parts:

the effect of the potential at the surface of last scattering, which is the ordinary Sachs-Wolfe effect; and

the integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect, which depends on the change of the gravitational potential while photons of the CMB are passing through a potential well. This redshifting or blueshifting of a photon as it passes through potential wells is called the Integrated Sachs-Wolfe effect.

Thermal Sunyaev-Zeldovich(SZ) effect􀂉Scattering of CMB photons off hot electrons􀂉Negative for low and positive for high frequencies􀂾Point Sources􀂉Contaminate the CMB!

The thermal Sunyaev-Zeldovich effect arises from the frequency shift when CMB photons are scattered by the hot electrons in the intra-cluster gas.

Peculiar velocities of the hot intra-cluster gas lead to a Doppler shift of the scattered photons which is proportional to the product of the radial peculiar velocity and the electron density integrated along the line of sight through the cluster.

historia jonizacji wodoru


Wod r jest neutralny dark ages

  • Korelacja TE mierzy głębokość obszaru reionizacji

  • Pomiary modów E

    • Pozwalana precyzyjniejsze wyznaczenie parametrów kosmologicznych, rejonizacji, indeksu spektralnego widma mocy

  • Mody B z soczewkowatych modów E

    • Badanie wielkoskalowych struktur do z ~1100

  • Mody B z fal grawitacyjnych niosą informacje o modelach inflacji

  • In the foreground-corrected maps, we detect l(l + 1)C /2 = 0.086 ± 0.029 ( K)2. This is interpreted as the result of rescattering of the CMB by free electrons released during reionization at zr = 10.9(+2.7-2.3) for a model with instantaneous reionization.

    http://www.journals.uchicago.edu/ApJ/journal/issues/ApJS/v170n2/64895/64895.html

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • Podsumowując: WMAP zaobserwował

    • sygnał polaryzacji pochodzący z dużego obszaru nieba

    • Zmierzył

      • anizotropie temperaturowe (CTT l:TT power spectrum)

      • Korelacje temperatura – polaryzacja E ( CTEl : TE power spectrum)

      • Anizotropie polaryzacji E (EE power spectrum)

    • wynik: reionizacja przy z = 11 +/-3

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • Wyniki badania CMB (WMAP)

    • Rozkład różnic temperatury TT– wykres wielokrotnie pokazywany, tutaj w skali log.

    • Korelacje temperatura – polaryzacja E: TE

    • Polaryzacja E

    • Polaryzacja B i modele

    TT

    TE

    EE

    Wyniki WMAP rysunki wzory etc chyba dobre: Fig 25 z pliku: http://www.journals.uchicago.edu/ApJ/journal/issues/ApJS/v170n2/64895/64895.html

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    The basic observable of the CMB is its intensity as a function of frequency and direction on the sky n . Since the CMB spectrum is an extremely good blackbody with a nearly constant temperature across the sky T , we generally describe this observable in terms of a temperature fluctuation .

    If these fluctuations are Gaussian, then the multipole moments of the temperature field

    (1)

    are fully characterized by their power spectrum

    (2)

    whose values as a function of l are independent in a given realization. For this reason predictions and analyses are typically performed in harmonic space. On small sections of the sky where its curvature can be neglected, the spherical harmonic analysis becomes ordinary Fourier analysis in two dimensions. In this limit becomes the Fourier wavenumber. Since the angular wavelength , large multipole moments corresponds to small angular scales l~102 with representing degree scale separations. Likewise, since in this limit the variance of the field is , the power spectrum is usually displayed as

    (3)

    http://background.uchicago.edu/~whu/araa/node4.htm

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    In a fixed (x,y) basis, the Stokes parameters are

    For purely monochromaticcoherent radiation, one can show that                         

    http://www.physics.princeton.edu/cosmology/capmap/calpaper.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    We map all the sky with Stokes parameter S=(I, Q, U, V)

    Total Intensity: I

    Q & U parameter: describe linear polarization

    Circular pol. gives V=0

    These are the property of vector on the point (local quantity)

    Q and U depends on the coordinate selection

    Say, with 45 deg rotation,

    QU-Q-UQ

    Coordinate invariant quantity is better

    Key words –Complementary and Brand new

    Polarization power spectrum is complementary to the temperature power spectrum

    -Combined with temperature anisotropy, pol. helps reconstruction of cosmological model (Ref. Prof. Holder’s talk)

    Polarization accesses to vector & tensor perturbations

    -Measure Stochastic Gravitational wave

    -Estimate energy scale of Inflation

    -Test of Inflation

    -Observe Gravitation Lensing

    Thomson cross section depends on polarization and angle

    Scattered radiation polarized parallel to the incident polarization

    But, to polarize, Thomson scattering is not enough

    Bipolar anisotropy cancel out polarization

    Only Quadruple Anisotropy induces linear polarization

    The combination of Thomson Scattering and Quadruple Anisotropy is relevant

    More suitable description is to define globally

    One example is called E mode and B mode

    E & B mode are group of several polarization vectors

    E is “Divergence” like and B is “Curl” like

    No coordinate dependence

    Important for Gravitational Wave detection

    B mode can be generated from Gravitational Wave etc.

    What characterize E & B mode quantitatively?

    There are two directions in a polarization field

    -The orientation of polarization

    -The direction in which pol. Changes (e.g. Temps. Modulation)

    Modulation changes pol. amplitude, sign but not nature (Q remains Q)

    The hall mark of E mode is both are parallel or perpendicular

    In B mode, not necessarily aligned

    Important is relative orientation not absolute orientation (Q or U)

    What types of sources realize each

    pattern?

    B mode

    E mode

    Bardzo dobre: www.physics.mcgill.ca/~yoshihisa/Astro-tea-Yoshi-04-13-2006.ppt

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Quadruple Anisotropy is categorized into 3 perturbation

    Spherical harmonic Ylm with l=2, m=0, +/-1, +/-2

    Scalar, Vector, and Tensor perturbations

    Each perturbation generates characteristic geometries of polarization

    Their projection determine the pol. Pattern

    The polarization pattern determines whether E & B mode are generated

    • Vector perturbation: The pattern are dominated by U mode

    • Tensor PerturbationBoth Q and U are present nearly equal amount

    3 Peculiar pol pattern raise different pol mode (E&B)

    Scalar mode never generates B mode

    Vector & Tensor modes generate B mode

    Under inflation paradigm, vector modes decay away and scalar and tensor survive (Topological Defect Model)

    Detection of B mode would suggests possible existence of Gravity Wave

    Polarization behaves as a field with spin 2

    Polarization separates property of Perturbation up to spin 2 ( Temps.)

    That’s why Polarization is BRAND NEW

    New frontier in Physics

    Polarization provides new probe to access scalar, vector, and tensor mode

    Especially, B mode by tensor perturbation provides clue to Inflation Energy

    However, challenging! -Requirement

    High sensitivity (B mode detection)

    Further understanding of foreground

    Improvement of systematic

    But exciting!

    Handful future mission (PLANCK, etc)

    Reach testify Inflation theory by CMB (Non Gaussianity, etc)

    Scalar Perturbation:

    Represent perturbation in the temperature fluctuation

    Photon from different temperature produce net polarization

    Projection of quadruple anisotropy allows polarization pattern

    Polarization is maximum at equator

    Only Q parameter is generated

    www.physics.mcgill.ca/~yoshihisa/Astro-tea-Yoshi-04-13-2006.ppt

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    http://www.roe.ac.uk/ifa/postgrad/pedagogy/2007_memari.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    http://www.roe.ac.uk/ifa/postgrad/pedagogy/2007_memari.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • KWASARY a CMB

      • Wyniki z LYa kwasarów i CMB są konsystentne.

      • Z badań LYa kwasarów :

        • przy z~6 IGM jest w 1% neutralne -> jest to „ogon” procesu rejonizacji

        • Pomiary dla 3 najodleglejszych kwasarów wyznaczają koniec rejonizacji przy z=6, z niewielką dyspersją dla różnych linii widzenia.

        • CMB wskazuje na znacząca polaryzację dla z~17. Ten wynik jest czuły na początek okresu rejonizacji.

      • Wnioski

        • Rejonizacja nie jest przejściem fazowym

        • Rejonizacja trwała w zakresie 6<z<20 (6*108 lat)

        • Pierwsze gwiazdy powstały bardzo wcześnie

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Tak można sobie wyobrazić…

    WW

    z

    czas

    http://cfa-www.harvard.edu/events/2002/grbconf/index/speaker_presentation/loeb.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Indeed, the GP effect and CMB largescale

    polarization studies can be considered complimentary probes of reionization,

    with optical depth effects limitingGPstudies to the end of reionization, whereasCMB

    studies are weighted toward the higher redshifts, when the densities were higher.

    The data argue against a simple reionization history in which the IGM remains

    largely neutral from z∼1100 to z∼6–7, with a single phase transition at z∼6 (the

    “late” model in Figure 15) as well as against a model in which the Universe reached

    complete ionization at z∼15–20 and remained so ever since (the “early” model in

    Figure 15). These facts, combined with the large line-of-sight variations at the end

    of reionization as indicated by GP measurements, suggest a more extended reionization

    history. Interestingly, the latest theoretical models with reionization caused by

    Population II star formation are consistent with both GP optical depth and WMAP

    CMB polarization measurement (e.g., Gnedin & Fan 2006). Current data do not

    present strong evidence for a dominant contribution by metal-free Population III

    star formation at z>15 to reionization (Haiman &that reionization is less an event than a process, extended in both time and space.

    Badanie rejonizacji poprzez efekt G-P oraz polaryzacji CMB jest komplementarne

    G-P pozwalana wyznaczenie końca okresu rejonizacji

    CMB przesuwa te badania do większych z. Przy z ~14 ionizacja jest znaczaca

    Wydaje się że IGM nie pozostaje neutralny w zakresie 1100<z<6 (late)

    Wydaje się że nie jest tez w pelni zjonizowany dla 20<z<15i taki pozostaje („early”)

    Wydaje się że rejonizacja nie jest zdarzeniem ale procesem rozciągnietym w czasie i przestrzeni.

    z∼11 ± 3.

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • WNIOSKI: KWASARY a CMB

    • Wyniki badań rejonizacji poprzez

      • efekt Gunn-Petersona oraz

      • polaryzacji CMB są komplementarne

    • Efekt Gunn-Petersona pozwalana na wyznaczenie końca okresu rejonizacji (z~6)

    • Z CMB otrzymana jest informacja dla większych z.

    • Wynik: Przy z ~14 jonizacja jest znacząca.

    • Wydaje się że dane przeczą prostemu obrazowi rejonizacji

    • „late rejonization” z przejściem fazowym ~z=6 ponieważ IGM jest w zjonizowany dla z>6.

    • „early rejonization” który przewiduje pełną jonizację IGM dla 15<z< 20

    • Wydaje się że rejonizacja nie jest jednostkowym zdarzeniem ale procesem rozciągniętym w czasie i przestrzeni.

    modele

    http://sancerre.as.arizona.edu/~fan/papers/annurev.astro.44.051905.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Zawartość neutralnego wodoru w fkt(z)

    KWASARY i CMB

    Wyznaczenie zawartości neutralnego wodoru

    WMAP – wodór jest jeszcze zjonizowany: z =11 +/- 3

    z

    Fig.15 http://sancerre.as.arizona.edu/~fan/papers/annurev.astro.44.051905.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Most powerful explosions in Universe

    •Birth sites of black holes

    •Ultra-relativistic outflows

    •Relation to hypernovae, end-points of massive stars and nucleosynthesis

    •Probes of the early UniversehostgalaxyGRB

    The most violent phenomena in the universe (L~1051-52 ergs s-1)

    Cosmological events (z~1-3)

    The rate is ~1000 per year (~1/1000 of the SNe rate)

    Jet hypothesis (but the jet formation mechanism is unsolved)

    Related to the deaths of massive stars (SNe associations)

    http://science.hq.nasa.gov/strategy/sscac/SEUS0310/Gehrels_Swift.pdf

    www.awa.tohoku.ac.jp/taup2007/slides/workshop12/roomD/TAUP07_Murase.ppt

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    GRB i wczesny Wszechświat

    • Pierwsze gwiazdy powstały gdy Wszechświat miał ~1% wieku.

    • Były to gwiazdy krótkożyjące i ciężkie

    • Wiadomo obecnie ze większość długich GRB powstaje w wyniku śmierci ciężkiej gwiazdy

    • Oczekuje się że występują dla z (~20 ?) większych niż QSO

    • Zarówno GRB jak i ich poświata powinna być obserwowana z tych odległości

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    GRB i wczesny Wszechświat

    • Obserwacja GRB

      • Trygerowalne, obniżenie progu trygera pozwoli (?) zwiększyć zakres z.

      • bardzo jasne źródła, jaśniejsze od galaktyk’

        • intensywność poświaty nie maleje ze wzrostem z,

        • Ze względu na dylatację czasu ustalony czas pomiaru w stosunku do trygera odpowiada coraz wcześniejszemu czasowi w układzie GRB dla dużych z.

      • Statystyka oczekiwania: 2 / dzień / Wszechświat BATSE + Swift długich GRB )

    • W przeciwieństwie do QSO

      • poświata może dostarczyć czystej informacji o epoce rejonizacji, ponieważ:

        • brak silnej linii emisyjnej LY a oraz

        • efektu sąsiedztwa (Stromgren sphere powstałej na skutek jonizujących fotonów a z kwasara).

    • Podobnie do QSO

      • mają szerokopasmowe widma przechodzące w UV w układzie emisji.

    http://cfa-www.harvard.edu/events/2002/grbconf/index/speaker_presentation/loeb.pdf

    http://cfa-www.harvard.edu/events/2002/grbconf/index/speaker_presentation/loeb.pdf

    http://www.nature.com/nature/journal/v440/n7081/full/nature04552.html

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • Oficjalny rekord odległości / wieku to galaktyka IOK-1 z =6.96. powstała 7.8*108 lat ABB (Subaru).

    • Rekordzista długi burstGRB050904

      • Zlokalizowany / obserwowany przez Swift

        • Szereg pomiarów fotometria z= 6.39

        • Spektroskopia pomiar Subaru (8.5m) po 3.5 dniach z = 6.295(poprzedni rekord z= 4.5) jest to ~6% obecnego wieku Wszechświata.

      • zmierzone ograniczenie na zawartość neutralnego wodoru

      • porównywalny z najodleglejszymi QSO i galaktykami

      • Strumień w X > 105 * strumień QSO SDSS J0130+0524 najjaśniejszego znanego QSO w X,

    • GRB060927 ma spektroskopowo zmierzone z = 5.467, drugie co do wartości. (wynik VLT).

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Mamy nadzieję że GRB pozwolą przesunąć z w stos. do QSO

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • PODSUMOWANIE

    • W epoce WW wszystkie pierwiastki są zjonizowane

    • Dla z = 1089 : następuje Rekombinacja (CMB)

    • Dla z ~11 następuje Reionizacja

      • Wtedy też powstają pierwsze gwiazdy (ale chyba brak bezpośredniej obserwacji Pop III tzn. złożone z H i He, z niezmiernie małą zawartością metali).

      • Gwiazdy PopIII

        • Są bardzo ciężkie (~200 M0)

        • Nie zawierają metali

        • Żyją krótko – kończąc, w zależności od masy, jako BH, NS, SN.

        • Zapewne obserwacja takich gwiazd nie jest możliwa (czy wyniki Spitzer Space Telescope sa poprawne?)

      • Mechanizm ich powstawania różni się od mechanizmu powstawania gwiazd z zawartością metali (Pop II i Pop I).

    • Czy częstość powstawania gwiazd jest dostatecznie duża by spowodować rejonizację

    • Kiedy i jak powstały ciężkie pierwiastki obecne w IGM

    Dlatego możliwość dużej liczby GRB dla dużych z

    ?

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Wodór: Linie emisyjne 21 cm (1420 MHz)

    • Promieniowanie 1420 MHz jest wynikiem przejścia między 2 poziomami podstawowymi H , które różnią się w wyniku oddziaływania spinu elektronu i spinu protonu: triplet – singlet. (Struktura nadsubtelna).

    • Atom H emituje linie 21 cm ze stanu wzbudzonego, absorbuje w stanie podstawowym (spiny anty równoległe) .

    • 1 przejście /100 lat /1 atom H

    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/h21.html

    http://www.answers.com/topic/hydrogen-line?cat=technology

    b. dobre: vhttp://www.skatelescope.org/PDF/news/pourlascience_steve-wim_20070706.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    • Struktura nadsubtelna wodoru – linia 21 cm i LOFAR

    • Linia 21 cm (1420 MHz) emitowana przez neutralny wodór będzie jest przesunięta przez red shift do mniejszych częstości

    • Redshift 6 – 13 odpowiada częstościom w zakresie 100 MHz – 200 MHz

      LOwFrequencyARrray – (poprzedzający SKA Square Km aAray ~2015) w tym zakresie częstości będzie miał dostateczną czułość by badać:

    • W bardzo odległym Wszechświecie ( 7 < z < 10)Historię jonizacji - Zakres redshiftu w którym HI (neutralny) został zjonizowany. Sygnał reionizacji wodoru pochodzi z z gdzie powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki, kończących epokę Dark Ages. Redshift modyfikuje częstość 1420 MHz takze wchodzi ona w „okno” obserwacyjne LOFARU.

    • W odległym (1.5< z < 7) Wszechświecie:powstawanie wielkich galaktyk ich klastrów oraz aktywnych jąder galaktyk.

    • Przestrzenny rozkład zjonizowanego i neutralnego gazu między gwiezdnego i jego zmiany w procesie rejonizacji

    • Szereg innych zagadnień – np. promieniowanie kosmiczne.

    http://www.lofar.org/PDF/NL-CASE-1.0.pdf

    http://lanl.arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0307/0307240v1.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Anteny LOFAR – zakończenie 2012?

    • Anteny: ~100 / stację, dla l: 4 – 10 m oraz l: 1 – 3 m.

    • Całość 10 000 anten

    • Częstości LOFAR: 10, 30, 75, 120, 200 MHz << 1420 MHz(=21 cm)

    www.oamp.fr/lam/equipes/inter/combes05.ppt

    http://lanl.arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0307/0307240v1.pdf

    Tez o innych radioteleskopachhttp://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/white.paper.oct6.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Radioteleskop: SKA Square kilometer Array w Australii -> 106 m2 anteny

    uruchomiony ~ 2012 - 2020?

    Gospodarze zachwalają to miejsce jako przyjazne…

    LOFAR jest wstępem dla SKA??

    http://www.skatelescope.org/pages/page_astronom.htm

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    http://www.physics.uci.edu/Cosmology/barton_elizabeth.pdf

    historia jonizacji wodoru


    Wod r jest neutralny dark ages

    Growing evidences of early (PopIII ?) SF: stellar mass, NIRBNear Infrared Background (NIRB) can be a powerful tool to observe the era of reionization. Ultraviolet photons that ionized the universe at a redshift of around 10 are redshifted into what we observe as the near infrared. Therefore, some light from in the near infrared background must come from the era of reionization – and perhaps the first few generations of stars.

    , reionization, EMPSextremely metal-poor (EMP) stars.

    Transition to normal stars occurs whenZ > Zcrit ~ 10-5±1 Z; strongly governed by dust

    Pop III SF continues to z ~ 3at periphery of collapsing structures. Observable in LAEs ?

    Reionization started by metal-free stars @ z=20; 90% complete @ z=8

    Early Reionization (z > 7)not in contrast with any QSOAL test (GP, Gaps, HII regions)

    f> 80% of the ionizing power at z 7 from halos of M < 109 M

    Bulk of reionization sources not observed yet. Need JWST ?

    [PPT]www.lanl.gov/conferences/firststars3/abstracts_and...

    historia jonizacji wodoru


  • Login