Проучување на раниот универзум: Експеримент REACH за откривање на неостварлива линија од 21 см од космичкиот водород 

Набљудување од 26 см Радио сигнали, формирани поради хиперфина транзиција на космичкиот водород нудат алтернативна алатка за проучување на раните универзумот. Што се однесува до неутралната епоха на доенчето универзумот кога не се емитуваше светлина, линиите од 26 cm се можеби само прозорец. Сепак, овие се поместиле на црвено Радио сигнали емитирани од космичкиот водород во почетокот универзумот се екстремно слаби и досега беа неостварливи. Во 2018 година, експериментот EDGE објави откривање на сигнали од 26 см, но наодите не можеа да бидат независно потврдени. Главното прашање беше систематскиот инструмент и контаминацијата со другите сигнали од небото. Експериментот REACH е да се примени единствена методологија за да се надмине тесното грло. Се надеваме дека оваа истражувачка група сигурно ќе може да ги открие овие неостварливи сигнали во блиска иднина. Доколку е успешен, експериментот REACH може да ја донесе „радиа астрономијата од 26 см“ во првите редови во проучувањето на раните универзумот и многу ни помогне во разоткривањето на мистериите на раното универзумот. 

Кога станува збор за проучување на раниот универзум, име на неодамна лансиран Вселенски телескоп Jamesејмс Веб (JWST) се појавува во нашиот ум. JWST, наследник на многу успешни Хабл телескоп, е а простор- базирана, инфрацрвена опсерваторија опремена за снимање оптички/инфрацрвени сигнали од раните ѕвезди и галаксии формирани во Универзумот веднаш по Големата експлозија¹. Сепак, JWST има одредено ограничување досега како подигање сигнали од неутралната епоха на раниот универзум е загрижен.  

Табела: Епохи во историјата на универзумот уште од Големата експлозија  

(Извор: Филозофија на космологијата – позадина од 21 см. Достапно на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

До 380 k години по големата експлозија, на универзумот бил наполнет со јонизиран гас и бил целосно непроѕирен. Помеѓу 380 илјади - 400 милиони години, универзумот стана неутрален и транспарентен. Епохата на рејонизација започна по оваа фаза почнувајќи од 400 милиони по големата експлозија.  

Во текот на неутралната епоха на рано универзумот, кога универзумот беше исполнет со неутрални гасови и беше проѕирен, не се емитуваше оптички сигнал (оттука се нарекува темно доба). Унионизираниот материјал не испушта светлина. Ова претставува предизвик во проучувањето на почетокот Универзумот на неутрална епоха. Сепак, микробрановата радијација од 21 cm бранова должина (што одговара на 1420 MHz) емитирана од ладниот, неутрален космички водород во текот на оваа епоха како резултат на хиперфина транзиција (од паралелно вртење до постабилно антипаралелно вртење) им нуди можности на истражувачите. Ова микробранова радијација од 21 см ќе биде поместена на црвено кога ќе стигне до Земјата и ќе се набљудува на фреквенции од 200 MHz до 10 MHz како радио бранови^2,3.  

21 см радио астрономија: Набљудувањето на 21-сантиметарски космички водородни сигнали нуди алтернативен пристап за проучување на раните универзумот особено од фазата на неутрална епоха која беше лишена од никаква емисија на светлина. Ова исто така може да не информира за новата физика како што се дистрибуцијата на материјата со текот на времето, темната енергија, темната материја, неутринските маси и инфлацијата².  

Сепак, сигналите од 21 cm емитувани од космичкиот водород во почетокот универзумот фаза е неостварлива. Се очекува да биде исклучително слаб (околу сто илјади пати послаб од другите радио сигнали кои исто така произлегуваат од небото). Како резултат на тоа, овој пристап е сè уште во повој.  

Во 2018 година, истражувачите објавија детекција на таков радиосигнал на фреквенција од 78 MHz чиј профил во голема мера е во согласност со очекувањата за сигналот од 21 сантиметар што го емитува исконскиот космички водород⁴. Но, ова откривање на примордијален радио сигнал од 21 см не може да се потврди независно, па оттука до сега не може да се утврди веродостојноста на експериментот. Главното прашање се чини дека е контаминација со радио сигналите во преден план.  

Најновата пресвртница е извештајот на Радио експеримент за анализа на космички водород (REACH) на 21 јули 2022 година. REACH ќе користи нов експериментален пристап за да ги открие овие слаби недофатливи космички радио сигнали со што ќе понуди нова надеж за потврда на космички сигнали од 21 сантиметар.  

Радиоекспериментот за анализа на космички водород (REACH) е експеримент со просечен небо од 21 см. Ова има за цел да ги подобри набљудувањата преку управување со проблемите со кои се соочуваат инструментите поврзани со преостанатите систематски сигнали во податоците. Тој се фокусира на откривање и заедничко објаснување на систематиката заедно со предните плани и космолошкиот сигнал со помош на бајесовата статистика. На експеримент вклучува симултани набљудувања со две различни антени, систем со ултра широкопојасен опсег (опсег на поместување на црвено околу 7.5 до 28) и калибратор на приемник врз основа на мерења на терен.  

Овој развој е значаен со оглед на неговиот потенцијал да биде една од најдобрите алатки (и исплатливи премногу vis-a-vis). простор-базирани опсерватории како Jamesејмс Веб) за проучување на рано универзумот како и можност за воведување на нова фундаментална физика.  

*** 

Референци:  

1. Прасад У., 2021. Вселенски телескоп Џејмс Веб (JWST): Првата вселенска опсерваторија посветена на проучувањето на раниот универзум. Научен европски. Објавено на 6 ноември 2021 година. Достапно на 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 and Loeb A., 2012. 21 cm космологија во 21 век. Извештаи за напредокот во физиката 75 086901. Достапно на https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Предпечатење на arXiv достапно на https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf верзија  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Универзитетот Оксфорд. Филозофија на космологијата – позадина 21 cm. Достапно на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Профил на апсорпција центриран на 78 мегахерци во просечниот спектар на небото. Nature 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. де Лера Ацедо, Е., де Вилиерс, ДИЛ, Разави-Годс, Н. и сор. Радиометарот REACH за откривање на водороден сигнал од 21 cm од црвено поместување z ≈ 7.5–28. Нат Астрон (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Елој де Лера Ацедо 2022. Откривање на мистериите на вселената на новороденчето со радиометарот REACH. Достапно онлајн на  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***