Varhaisen maailmankaikkeuden tutkimus: REACH-kokeessa havaitsematon 21 cm:n viiva kosmisesta vedystä 

Havainto 26 cm radio Kosmisen vedyn hyperhienon siirtymän seurauksena muodostuneet signaalit tarjoavat vaihtoehtoisen työkalun varhaisten tapahtumien tutkimukselle maailmankaikkeus. Mitä tulee vauvan neutraaliin aikakauteen maailmankaikkeus kun valoa ei lähetetty, 26 cm:n viivat ovat ehkä vain ikkuna. Nämä kuitenkin punasiirtyivät radio kosmisen vedyn alkuaikoina lähettämiä signaaleja maailmankaikkeus ovat äärimmäisen heikkoja ja olleet toistaiseksi vaikeasti havaittavissa. Vuonna 2018 EDGE-kokeessa havaittiin 26 cm:n signaaleja, mutta löydöksiä ei voitu vahvistaa itsenäisesti. Suurin ongelma oli instrumenttien järjestelmällisyys ja muiden taivaalta tulevien signaalien saastuminen. REACH-kokeessa käytetään ainutlaatuista menetelmää pullonkaulan voittamiseksi. Tämän tutkimusryhmän toivotaan pystyvän luotettavasti havaitsemaan nämä vaikeasti havaittavat signaalit lähitulevaisuudessa. Jos REACH-kokeilu onnistuu, se voi tuoda "26 cm:n radioastronomia" eturintamaan varhaisten maailmankaikkeus ja auttaa meitä paljon alkuajan mysteerien selvittämisessä maailmankaikkeus. 

Kun kyse on opiskelusta varhainen universumi, äskettäin julkaistun nimi James Webbin avaruusteleskooppi (JWST) tulee mieleemme. JWST, erittäin menestyneen seuraaja Hubble teleskooppi, on a tila-pohjainen infrapunaobservatorio, joka on varustettu kaappaamaan optisia/infrapunasignaaleja varhaisista tähdistä ja galakseista. CasinoUniverse pian alkuräjähdyksen jälkeen¹. Kuitenkin, JWST sillä on joitain rajoituksia, jotka liittyvät signaalien poimimiseen neutraalista aikakaudesta varhainen universumi on huolestunut.  

Taulukko: Aikakausia historiassa maailmankaikkeus alkuräjähdyksen jälkeen  

(Lähde: Philosophy of Cosmology – 21 cm tausta. Saatavilla osoitteessa http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Jopa 380 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli täytetty ionisoidulla kaasulla ja oli täysin läpinäkymätön. 380 400–XNUMX miljoonan vuoden välillä maailmankaikkeus oli muuttunut neutraaliksi ja läpinäkyväksi. Reionisaation aikakausi alkoi tämän vaiheen jälkeen, joka alkoi 400 miljoonalla alkuräjähdyksen jälkeen.  

Varhaisen neutraalin aikakauden aikana maailmankaikkeus, kun maailmankaikkeus oli täytetty neutraaleilla kaasuilla ja oli läpinäkyvä, optista signaalia ei lähetetty (tämän vuoksi sitä kutsutaan pimeäksi ajaksi). Unionoitu materiaali ei säteile valoa. Tämä asettaa haasteen varhaistutkimukselle CasinoUniverse neutraalista aikakaudesta. Kuitenkin 21 cm aallonpituuden (vastaa 1420 MHz) mikroaaltosäteilyä, jonka kylmä, neutraali kosminen vety lähettää tämän aikakauden aikana hyperhienon siirtymän seurauksena (rinnakkaisspinistä vakaampaan antirinnakkaisspiniin), tarjoaa tutkijoille mahdollisuuksia. Tämä 21 cm:n mikroaaltosäteily muuttuisi punasiirtymäksi saavuttaessaan maan ja se havaitaan radioaaltoina taajuuksilla 200 MHz - 10 MHz^2,3.  

21 cm radioastronomia: 21 senttimetrin kosmisten vetysignaalien havainnointi tarjoaa vaihtoehtoisen lähestymistavan varhaisten vetysignaalien tutkimiseen maailmankaikkeus varsinkin neutraalin epookkivaiheen, jossa ei ollut minkäänlaista valosäteilyä. Tämä voi myös kertoa meille uudesta fysiikasta, kuten aineen jakautumisesta ajan kuluessa, pimeästä energiasta, pimeästä aineesta, neutriinomassasta ja inflaatiosta².  

Kosmisen vedyn lähettämät 21 cm:n signaalit kuitenkin aikaisin maailmankaikkeus vaihe on vaikeaselkoinen. Sen odotetaan olevan erittäin heikko (noin satatuhatta kertaa heikompi kuin muut radiosignaalit, jotka myös lähtevät taivaalta). Tämän seurauksena tämä lähestymistapa on vielä lapsenkengissä.  

Vuonna 2018 tutkijat olivat raportoineet sellaisen radiosignaalin havaitsemisesta 78 MHz:n taajuudella, jonka profiili vastasi pitkälti alkuperäisen kosmisen vedyn lähettämän 21 senttimetrin signaalin odotuksia.⁴. Mutta tätä alkuperäisen 21 cm:n radiosignaalin havaitsemista ei voitu vahvistaa itsenäisesti, joten kokeen luotettavuutta ei voitu vahvistaa toistaiseksi. Pääongelma näyttää olevan etualan radiosignaalien saastuminen.  

Viimeisin virstanpylväs on raportti Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) -tutkimuksesta 21. heinäkuuta 2022. REACH käyttää uutta kokeellista lähestymistapaa näiden heikkojen, vaikeasti havaittavien kosmisten radiosignaalien havaitsemiseen, mikä tarjoaa uuden toivon 21 senttimetrin kosmisten signaalien vahvistamiselle.  

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 kokeilu 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.  

Tämä kehitys on merkittävää, kun otetaan huomioon sen potentiaali olla yksi parhaista työkaluista (ja liian kustannustehokas verrattuna tila-pohjaiset observatoriot, kuten james webb) varhaisten opiskelua varten maailmankaikkeus sekä mahdollisuus tuoda sisään uutta perusfysiikkaa.  

*** 

Viitteet:  

1. Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): Ensimmäinen avaruusobservatorio, joka on omistettu varhaisen maailmankaikkeuden tutkimukselle. Tieteellinen eurooppalainen. Julkaistu 6. marraskuuta 2021. Saatavilla osoitteessa 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 ja Loeb A., 2012. 21 cm:n kosmologia 21-luvulla. Raportit fysiikan edistymisestä 75 086901. Saatavilla osoitteessa https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Ennakkotulostus arXiv:ssä saatavilla osoitteessa https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf-versio  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxfordin yliopisto. Kosmologian filosofia – 21 cm tausta. Saatavilla http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et ai. Absorptioprofiili, jonka keskipiste on 78 megahertsiä taivaan keskiarvon spektrissä. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et ai. REACH-radiometri 21 cm:n vetysignaalin havaitsemiseen punasiirtymästä z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Vauvan maailmankaikkeuden mysteerien paljastaminen REACH-radiometrillä. Saatavilla verkossa osoitteessa  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***