Studiu al Universului timpuriu: Experimentul REACH pentru a detecta linia evazivă de 21 cm din hidrogenul cosmic 

Observație de 26 cm radio semnalele, formate din cauza tranziției hiperfine a hidrogenului cosmic, oferă un instrument alternativ pentru studiul timpurii univers. Cât despre epoca neutră a sugarului univers când nu a fost emisă lumină, liniile de 26 cm sunt poate doar fereastră. Cu toate acestea, acestea s-au mutat în roșu radio semnale emise de hidrogenul cosmic la început univers sunt extrem de slabi și au fost evazive până acum. În 2018, experimentul EDGE a raportat detectarea semnalelor de 26 cm, dar constatările nu au putut fi confirmate în mod independent. Problema principală a fost sistematica instrumentelor și contaminarea cu celelalte semnale din cer. Experimentul REACH este de a folosi o metodologie unică pentru a depăși blocajul. Se speră că acest grup de cercetare va fi capabil să detecteze în mod fiabil aceste semnale evazive în viitorul apropiat. Dacă are succes, experimentul REACH poate aduce „radioastronomia de 26 cm” în prim-plan în studiul timpurii. univers și ne ajută mult să dezvăluim misterele timpurii univers. 

Când vine vorba de studiul universul timpuriu, numele recent lansat Telescopul spațial James Webb (JWST) ne apare în minte. JWST, un succesor al unui succes enorm Hubble telescop, este a spaţiu-observator în infraroșu, echipat pentru a capta semnale optice/infraroșu de la stelele timpurii și galaxiile formate în Univers la scurt timp după Big Bang¹. Cu toate acestea, JWST are o oarecare limitare în ceea ce privește captarea semnalelor din epoca neutră a universul timpuriu este îngrijorat.  

Tabel: Epoci din istoria univers de la Big Bang  

(Sursa: Philosophy of Cosmology – 21 cm background. Disponibil la http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Până la 380 k ani de la Big Bang, univers a fost umplut cu gaz ionizat și a fost complet opac. Între 380k – 400 de milioane de ani, univers devenise neutru și transparent. Epoca reionizării a început după această fază începând cu 400 de milioane după Big Bang.  

În timpul epocii neutre de timpuriu univers, cand univers a fost umplut cu gaze neutre și a fost transparent, nu a fost emis niciun semnal optic (de aici numit epoca întunecată). Materialul unificat nu emite lumină. Acest lucru reprezintă o provocare în studiul timpurii Univers de epocă neutră. Cu toate acestea, radiația cu microunde cu o lungime de undă de 21 cm (corespunzând la 1420 MHz) emisă de hidrogenul cosmic rece și neutru în această epocă, ca urmare a tranziției hiperfine (de la spin paralel la spin anti-paralel mai stabil) oferă oportunități cercetătorilor. Această radiație cu microunde de 21 cm ar fi deplasată la roșu la atingerea Pământului și va fi observată la frecvențe de la 200 MHz până la 10 MHz ca unde radio^2,3.  

21 cm radioastronomie: Observarea semnalelor de hidrogen cosmic de 21 de centimetri oferă o abordare alternativă pentru studiul timpurii univers mai ales a fazei de epocă neutră care era lipsită de orice emisie de lumină. Acest lucru ne poate informa și despre o nouă fizică, cum ar fi distribuția materiei în timp, energia întunecată, materia întunecată, masele de neutrini și inflația.².  

Cu toate acestea, semnalele de 21 cm emise de hidrogenul cosmic în timpul timpurii univers faza este evazivă. Se așteaptă să fie extrem de slab (de aproximativ o sută de mii de ori mai slab decât alte semnale radio care emană tot din cer). În consecință, această abordare este încă la început.  

În 2018, cercetătorii au raportat detectarea unui astfel de semnal radio la o frecvență de 78 MHz al cărui profil era în mare măsură în concordanță cu așteptările pentru semnalul de 21 de centimetri emis de hidrogenul cosmic primordial.⁴. Dar această detectare a semnalului radio primordial de 21 cm nu a putut fi confirmată în mod independent, prin urmare, fiabilitatea experimentului nu a putut fi stabilită până acum. Problema principală pare să fie contaminarea cu semnalele radio din prim plan.  

Cel mai recent reper este raportul Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) din 21 iulie 2022. REACH va folosi o nouă abordare experimentală pentru a detecta aceste semnale radio cosmice slabe evazive, oferind astfel o nouă speranță pentru confirmarea semnalelor cosmice de 21 de centimetri.  

The Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) is a sky-averaged 21-cm experiment. This aims to improve observations by managing issues faced by instruments related to residual systematic signals in the data. It focusses on detecting and jointly explaining the systematics together with the foregrounds and the cosmological signal using Bayesian statistics. The experiment involves simultaneous observations with two different antennas, an ultra-wideband system (redshift range about 7.5 to 28) and a receiver calibrator based on in-field measurements.  

Această dezvoltare este semnificativă, având în vedere potențialul său de a fi unul dintre cele mai bune instrumente (și foarte rentabil față de spaţiu-observatoare bazate ca James Webb) pentru studiul timpurii univers precum și posibilitatea introducerii unei noi fizici fundamentale.  

*** 

Referinte:  

1. Prasad U., 2021. Telescopul spațial James Webb (JWST): primul observator spațial dedicat studiului universului timpuriu. științific european. Postat pe 6 noiembrie 2021. Disponibil la 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 și Loeb A., 2012. 21 cm cosmology in the 21st century. Rapoarte despre progresul în fizică 75 086901. Disponibil la https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint la arXiv disponibil la https://arxiv.org/abs/1109.6012  Versiunea pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Universitatea Oxford. Filosofia Cosmologiei – fundal 21 cm. Disponibil la http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. şi colab. Un profil de absorbție centrat la 78 megaherți în spectrul de medie a cerului. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Radiometrul REACH pentru detectarea semnalului de hidrogen de 21 cm de la deplasarea spre roșu z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Dezvăluirea misterelor Universului infantil cu radiometrul REACH. Disponibil online la  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***