Undersøgelse af det tidlige univers: REACH-eksperiment for at opdage undvigende 21 cm-linje fra Cosmic Hydrogen 

Observation af 26 cm radio signaler, dannet på grund af hyperfin overgang af kosmisk brint tilbyde et alternativt værktøj til undersøgelse af tidlige univers. Hvad angår spædbarnets neutrale epoke univers når der ikke blev udsendt lys, er 26 cm linjer måske kun vindue. Disse blev dog rødforskudte radio signaler udsendt af kosmisk brint i begyndelsen univers er ekstremt svage og har hidtil været uhåndgribelige. I 2018 rapporterede EDGE-eksperimentet påvisning af 26 cm-signaler, men resultaterne kunne ikke bekræftes uafhængigt. Hovedproblemet var instrumentsystematik og forurening med de andre signaler fra himlen. REACH-eksperimentet skal anvende en unik metode til at overvinde flaskehalsen. Det er håbet, at denne forskergruppe pålideligt vil være i stand til at opdage disse uhåndgribelige signaler i den nærmeste fremtid. Hvis det lykkes, kan REACH-eksperimentet bringe '26 cm radioastronomi' i front i undersøgelsen af ​​tidlige univers og hjælpe os meget med at optrevle mysterierne fra tidligt univers. 

Når det kommer til studiet af tidligt univers, navn på nyligt lanceret James Webb rumteleskop (JWST) dukker op i vores sind. JWST, en efterfølger af stor succes Hubble teleskop, er en plads-baseret, infrarødt observatorium udstyret til at fange optiske/infrarøde signaler fra de tidlige stjerner og galakser dannet i Universe kort efter Big Bang¹. Imidlertid JWST har en vis begrænsning så vidt som at opfange signaler fra den neutrale epoke af tidligt univers er bekymret.  

Tabel: Epoker i historien om univers siden Big Bang  

(Kilde: Philosophy of Cosmology – 21 cm baggrund. Tilgængelig på http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Op til 380 k år efter big bang, den univers var fyldt med ioniseret gas og var fuldstændig uigennemsigtig. Mellem 380 – 400 millioner år, den univers var blevet neutral og gennemsigtig. Reioniseringsepoken startede efter denne fase, der startede 400 millioner efter big bang.  

I den tidlige neutrale epoke univers, når univers var fyldt med neutrale gasser og var gennemsigtig, der blev ikke udsendt noget optisk signal (derfor kaldet mørk alder). Unioniseret materiale udsender ikke lys. Dette udgør en udfordring i undersøgelsen af ​​tidligt Universe af neutral epoke. Mikrobølgestråling på 21 cm bølgelængde (svarende til 1420 MHz) udsendt af det kolde, neutrale kosmiske brint i denne epoke som følge af hyperfin overgang (fra parallelt spin til mere stabilt anti-parallelt spin) giver muligheder for forskere. Denne 21 cm mikrobølgestråling vil blive rødforskudt, når den når Jorden og vil blive observeret ved 200MHz til 10 MHz frekvenser som radiobølger^2,3.  

21 cm radioastronomi: Observation af 21-centimeter kosmiske brintsignaler tilbyder en alternativ tilgang til undersøgelse af tidlige univers især af neutral epokefase, der var blottet for lysudsendelse. Dette kan også informere os om ny fysik såsom fordeling af stof over tid, mørk energi, mørkt stof, neutrinomasser og inflation².  

Men de 21-cm signaler, der udsendes af den kosmiske brint i løbet af tidligt univers fase er uhåndgribelig. Det forventes at være ekstremt svagt (ca. hundrede tusinde gange svagere end andre radiosignaler, der også kommer fra himlen). Som et resultat er denne tilgang stadig i vorden.  

I 2018 havde forskere rapporteret påvisning af et sådant radiosignal ved en frekvens på 78 MHz, hvis profil stort set var i overensstemmelse med forventningerne til det 21-centimeter-signal, der udsendes af det oprindelige kosmiske brint⁴. Men denne påvisning af primordialt 21-cm radiosignal kunne ikke bekræftes uafhængigt, hvorfor pålideligheden af ​​eksperimentet ikke kunne fastslås indtil videre. Hovedproblemet synes at være forurening med radiosignalerne i forgrunden.  

Den seneste milepæl er rapporten fra Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) den 21. juli 2022. REACH vil bruge en ny eksperimentel tilgang til at detektere disse svage, undvigende kosmiske radiosignaler, hvilket giver et nyt håb om bekræftelse af 21-centimeter kosmiske signaler.  

Radioeksperimentet til analyse af kosmisk brint (REACH) er et eksperiment på 21 cm i luften. Dette har til formål at forbedre observationer ved at håndtere problemer, som instrumenter står over for i forbindelse med resterende systematiske signaler i dataene. Den fokuserer på at opdage og i fællesskab forklare systematikken sammen med forgrundene og det kosmologiske signal ved hjælp af Bayesiansk statistik. Det eksperiment involverer samtidige observationer med to forskellige antenner, et ultrabredbåndssystem (rødforskydningsområde omkring 7.5 til 28) og en modtagerkalibrator baseret på målinger i felten.  

Denne udvikling er betydelig i betragtning af dets potentiale til at være et af de bedste værktøjer (og også omkostningseffektivt ift plads-baserede observatorier som James Webb) til undersøgelse af tidligt univers samt mulighed for at indlede ny fundamental fysik.  

*** 

Referencer:  

1. Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): Det første rumobservatorium dedikeret til studiet af det tidlige univers. Videnskabelig europæisk. Opslået 6. november 2021. Tilgængelig kl 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 og Loeb A., 2012. 21 cm kosmologi i det 21. århundrede. Rapporter om fremskridt i fysik 75 086901. Tilgængelig på https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Fortryk på arXiv tilgængelig på https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf-version  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford Universitet. Kosmologiens filosofi – 21 cm baggrund. Tilgængelig kl http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. En absorptionsprofil centreret ved 78 megahertz i det himmelgennemsnitlige spektrum. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. REACH-radiometeret til detektering af 21 cm brintsignalet fra rødforskydning z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Afsløring af spædbarnsuniversets mysterier med REACH-radiometeret. Tilgængelig online på  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***