Badanie wczesnego wszechświata: eksperyment REACH w celu wykrycia nieuchwytnej 21-centymetrowej linii z kosmicznego wodoru 

Obserwacja 26 cm radio Sygnały powstałe w wyniku nadsubtelnego przejścia kosmicznego wodoru stanowią alternatywne narzędzie do wczesnych badań wszechświat. Jeśli chodzi o neutralną epokę niemowlęcia wszechświat gdy nie było emitowanego światła, linie 26 cm to być może tylko okna. Jednak te przesunęły się ku czerwieni radio sygnały emitowane przez kosmiczny wodór na początku wszechświat są niezwykle słabe i jak dotąd nieuchwytne. W 2018 roku eksperyment EDGE zgłosił wykrycie sygnałów o długości 26 cm, ale wyników nie udało się niezależnie potwierdzić. Głównym problemem była systematyczność instrumentów i zanieczyszczenie innymi sygnałami z nieba. Eksperyment REACH ma na celu zastosowanie unikalnej metodologii w celu przezwyciężenia wąskiego gardła. Mamy nadzieję, że tej grupie badawczej w najbliższej przyszłości uda się wiarygodnie wykryć te nieuchwytne sygnały. Jeśli eksperyment REACH się powiedzie, może wysunąć na pierwszy plan „radiaastronomię 26 cm” w badaniach wczesnych wszechświat i pomóż nam bardzo w rozwikłaniu tajemnic wczesnego wszechświat. 

Jeśli chodzi o naukę wczesny wszechświat, nazwa niedawno uruchomionego Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) pojawia się w naszym umyśle. JWST, następca niezwykle udanego Hubble teleskop, jest przestrzeńobserwatorium podczerwieni wyposażone w funkcję przechwytywania sygnałów optycznych/podczerwonych z wczesnych gwiazd i galaktyk powstałych w Wszechświat wkrótce po Wielkim Wybuchu¹. Jednakże, JWST ma pewne ograniczenia w zakresie odbierania sygnałów z epoki neutralnej wczesny wszechświat jest zaniepokojony.  

Tabela: Epoki w historii wszechświat od Wielkiego Wybuchu  

(Źródło: Filozofia Kosmologii – tło 21 cm. Dostępne na http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Aż do 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu wszechświat była wypełniona zjonizowanym gazem i była całkowicie nieprzezroczysta. Między 380 tys. a 400 milionów lat wszechświat stała się neutralna i przejrzysta. Epoka rejonizacji rozpoczęła się po tej fazie, począwszy od 400 milionów ludzi po Wielkim Wybuchu.  

W neutralnej epoce początków wszechświat, kiedy wszechświat był wypełniony gazami obojętnymi i był przezroczysty, nie emitował żadnego sygnału optycznego (stąd tzw. ciemny wiek). Zunifikowany materiał nie emituje światła. Stanowi to wyzwanie w nauce na początku Wszechświat epoki neutralnej. Jednakże promieniowanie mikrofalowe o długości fali 21 cm (odpowiadającej 1420 MHz) emitowane przez zimny, obojętny kosmiczny wodór w tej epoce w wyniku przejścia nadsubtelnego (od spinu równoległego do bardziej stabilnego spinu antyrównoległego) stwarza możliwości dla badaczy. To promieniowanie mikrofalowe o długości 21 cm zostanie przesunięte ku czerwieni po dotarciu do Ziemi i będzie obserwowane w zakresie częstotliwości od 200 MHz do 10 MHz jako fale radiowe^2,3.  

Radioastronomia 21 cm: Obserwacja 21-centymetrowych sygnałów kosmicznego wodoru oferuje alternatywne podejście do badań wczesnych wszechświat zwłaszcza neutralnej fazy epoki, która była pozbawiona jakiejkolwiek emisji światła. Może to również dostarczyć nam informacji o nowej fizyce, takiej jak rozkład materii w czasie, ciemna energia, ciemna materia, masy neutrin i inflacja².  

Jednak 21-cm sygnały emitowane przez kosmiczny wodór we wczesnych godzinach wszechświat faza jest nieuchwytna. Oczekuje się, że będzie wyjątkowo słaby (około sto tysięcy razy słabszy niż inne sygnały radiowe, które również pochodzą z nieba). W rezultacie podejście to jest wciąż w powijakach.  

W 2018 roku naukowcy poinformowali o wykryciu takiego sygnału radiowego na częstotliwości 78 MHz, którego profil był w dużej mierze zgodny z oczekiwaniami dla 21-centymetrowego sygnału emitowanego przez pierwotny kosmiczny wodór⁴. Ale to wykrycie pierwotnego 21-cm sygnału radiowego nie mogło zostać niezależnie potwierdzone, stąd wiarygodność eksperymentu nie mogła być jak dotąd ustalona. Głównym problemem wydaje się być zanieczyszczenie pierwszymi sygnałami radiowymi.  

Ostatnim kamieniem milowym jest raport z eksperymentu radiowego w zakresie analizy wodoru kosmicznego (REACH) z 21 lipca 2022 r. REACH zastosuje nowatorskie podejście eksperymentalne do wykrywania tych słabych, nieuchwytnych kosmicznych sygnałów radiowych, co daje nową nadzieję na potwierdzenie 21-centymetrowych sygnałów kosmicznych.  

Eksperyment radiowy do analizy kosmicznego wodoru (REACH) to eksperyment o średniej wysokości 21 cm. Ma to na celu poprawę obserwacji poprzez zarządzanie problemami napotykanymi przez instrumenty związanymi z resztkowymi sygnałami systematycznymi w danych. Koncentruje się na wykrywaniu i wspólnym wyjaśnianiu systematyki wraz z pierwszym planem i sygnałem kosmologicznym za pomocą statystyki Bayesa. The eksperyment obejmuje jednoczesne obserwacje przy użyciu dwóch różnych anten, systemu ultraszerokopasmowego (zakres przesunięcia ku czerwieni około 7.5 do 28) i kalibratora odbiornika opartego na pomiarach w terenie.  

Rozwój ten jest znaczący, biorąc pod uwagę jego potencjał bycia jednym z najlepszych narzędzi (i opłacalnością w porównaniu z przestrzeńobserwatoria oparte na np Jamesa Webba) do nauki wcześnie wszechświat a także możliwość wprowadzenia nowej fizyki fundamentalnej.  

*** 

Referencje:  

1. Prasad U., 2021. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST): Pierwsze Obserwatorium Kosmiczne poświęcone badaniu wczesnego Wszechświata. Naukowy Europejczyk. Opublikowano 6 listopada 2021. Dostępne na http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 

2. Pritchard JA i Loeb A., 2012. Kosmologia 21 cm w XXI wieku. Sprawozdania z postępów w fizyce 21 75. Dostępne na https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint w arXiv dostępny pod adresem https://arxiv.org/abs/1109.6012  wersja pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford University. Filozofia kosmologii – 21 cm tła. Dostępne o http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman J., Rogers A., Monsalve R. i in. Profil absorpcji wyśrodkowany na 78 megahercach w uśrednionym dla nieba widmie. Natura 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. i in. Radiometr REACH do wykrywania 21-cm sygnału wodoru z przesunięcia ku czerwieni z 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Odkrywanie tajemnic niemowlęcego Wszechświata za pomocą radiometru REACH. Dostępne online pod adresem  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***