Массив телескопов Суньяева — Зельдовича: Исследование темной энергии и скоплений галактик
Sunyaev–Zel'dovich Array
Массив телескопов SZA в Калифорнии: изучение космического микроволнового фона, скоплений галактик и ускоренного расширения Вселенной. Астрономические исследования.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Массив телескопов
Array of telescopes
Массив Суняева — Зельдовича (SZA) в Калифорнии представляет собой массив из восьми 3,5-метровых телескопов, которые использовались в рамках теперь закрытого Объединенного массива для исследований в астрономии миллиметрового диапазона (CARMA). Первоначальными целями были обследование космического микроволнового фона (CMB) для измерения его мелкомасштабных анизотропий и поиска скоплений галактик. Обследование было завершено в 2007 году, и в настоящее время массив используется главным образом для характеристики скоплений посредством эффекта Суняева — Зельдовича. Наблюдения в SZA начались в апреле 2005 года. Одним из важнейших достижений последних лет стало обнаружение, благодаря наблюдениям за CMB и изучению сверхновых, формы энергии, ускоряющей расширение Вселенной. Эта энергия, названная тёмной энергией по аналогии с тёмной материей, предположительно составляет около 70% энергетического содержания Вселенной. Хотя тёмную энергию нельзя наблюдать непосредственно, её основные свойства можно установить по её влиянию на формирование структур во Вселенной. Подобно тому, как эколог может узнать о пищевых ресурсах, изучая эволюцию популяций животных во времени, физики могут узнать о тёмной энергии, изучая статистику популяций обитателей Вселенной — в данном случае, скоплений галактик. SZA получил своё название от метода измерения скоплений галактик: рассеяния света CMB при прохождении через горячий ионизированный газ скопления, известного как эффект Суняева — Зельдовича (эффект СЗ). Проще говоря, CMB используется как подсветка, на фоне которой скопления галактик видны по теням, которые они отбрасывают. Поскольку SZA регистрирует тень, а не свет, излучаемый самим скоплением, его можно использовать для измерения достаточно крупных скоплений почти независимо от их красного смещения, вплоть до эпохи, когда скопления начали формироваться.
The Sunyaev–Zeldovich Array (SZA) in California is an array of eight 3.5 meter telescopes that was operated as part of the now closed Combined Array for Research in Millimeter wave Astronomy (CARMA). Its initial goals were to survey the cosmic microwave background (CMB) in order to measure its fine scale anisotropies and to find clusters of galaxies. The survey was completed in 2007, and the array is now used primarily to characterize clusters via the Sunyaev–Zeldovich effect. Observations commenced at the SZA in April 2005. One of the most important developments of the last few years has been the detection, through observations of the CMB and supernova studies, of a form of energy that is accelerating the expansion of the universe. Dubbed dark energy by analogy with dark matter, it is believed to account for roughly 70% of the universe's energy content. While dark energy cannot be observed directly, its basic properties can be inferred from its effect on structure formation in the universe. Just as an ecologist can learn about the food supply by studying how animal populations evolve with time, physicists can learn about dark energy by studying the population statistics of the universe's inhabitants—in this case, galaxy clusters. The SZA gets its name from the means by which it measures galaxy clusters: the scattering of CMB light as it passes through the hot ionized cluster gas, known as the Sunyaev–Zeldovich effect (SZ effect). In short, the CMB is used as a backlight against which galaxy clusters can be seen by the shadows they cast. Since the SZA sees the shadow rather than the light emitted by the cluster itself, it can be used to measure sufficiently large clusters nearly independently of their redshift, all the way back to the epoch at which clusters first began to form.
Эксперимент
SZA использовался для многоволновых наблюдений более 100 скоплений галактик, как самостоятельно, так и в составе Объединенного массива для исследований в миллиметровом диапазоне (CARMA), который был выведен из эксплуатации после 3 апреля 2015 года. С 2005 по 2007 год SZA провел глубокое обследование нескольких участков неба на частоте 31 ГГц (гигагерц).
The SZA has been used for multi wavelength observations of over 100 galaxy clusters, both on its own and as a part of the Combined Array for Research in Millimeter wave Astronomy (CARMA), which was decommissioned after 3 April 2015. From 2005 to 2007, SZA undertook a deep 31 GHz (Gigahertz) survey of several patches of sky.
Инструмент
SZA – это не отдельный телескоп, а массив из 8 телескопов, работающих совместно как интерферометр. Интерферометр не регистрирует свет так же, как обычный телескоп, измеряя полную мощность, собранную одним зеркалом; вместо этого он анализирует разности между светом, попадающим на пары телескопов. Подобно волнам на воде, световые волны могут интерферировать друг с другом, создавая сложную картину усиления интенсивности в местах конструктивной интерференции и минимумы в местах деструктивной интерференции. Когда свет от источника достигает массива, интерферометр фиксирует эту интерференционную картину – отсюда и название. Структуру источника на небе можно восстановить по интерференционной картине аналогично тому, как можно определить размер и форму камня, брошенного в пруд, по рисунку волн, оставшихся на воде. Собственное разрешение интерферометра зависит не от размера отдельных телескопов (как в случае с традиционным одиночным телескопом), а от расстояния между ними. Пары телескопов, расположенные на большом расстоянии друг от друга, обеспечивают чувствительность к мелкомасштабной структуре, в то время как небольшие расстояния чувствительны к крупномасштабной структуре на небе. 8 телескопов SZA достаточно малы, чтобы разместить их очень близко друг к другу, что обеспечивает максимальную чувствительность к (крупномасштабному) SZ-сигналу от скоплений. При объединении SZA с другими телескопами массива CARMA, имевшими большее расстояние между собой и чувствительными к более мелким угловым масштабам, была получена полная картина скоплений галактик с очень высоким разрешением.
The SZA is not a single telescope, but an array of 8 telescopes operating together as an interferometer. An interferometer does not detect light in quite the same way as an ordinary telescope, by measuring the total power collected by a single dish; instead, it looks at differences between the light falling on pairs of telescopes. Like water waves, light waves can interfere with each other, producing a complex pattern of intensity enhancements where the waves constructively interfere, and nulls where they destructively interfere. As light from a source washes over the array, an interferometer detects this interference pattern — hence the name. The source's structure on the sky can then be inferred from the interference pattern in much the same way that one might infer the size and shape of a stone thrown into a pond from the pattern of ripples left in its wake. The native resolution of an interferometer depends not on the size of the individual telescopes (as with a traditional single telescope), but on their separation. Pairs of telescopes with large separations provide sensitivity to small scale structure, while short spacings are sensitive to large scale structure on the sky. The 8 SZA telescopes are small enough to be placed very close together, which provides maximum sensitivity to the (large scale) SZ signal from clusters. When the SZA was combined with the other telescopes in the CARMA array, which had longer separations and were sensitive to finer angular scales, it formed a complete picture of galaxy clusters at very high resolution.