Studie av tidlig univers: REACH-eksperiment for å oppdage unnvikende 21 cm linje fra Cosmic Hydrogen 

Observasjon av 26 cm radio signaler, dannet på grunn av hyperfin overgang av kosmisk hydrogen tilby et alternativt verktøy til studiet av tidlig univers. Når det gjelder nøytral epoke for spedbarnet univers når det ikke ble sendt ut lys, er 26 cm linjer kanskje bare vindu. Disse skiftet imidlertid rødt radio signaler sendt ut av kosmisk hydrogen tidlig univers er ekstremt svake og har vært unnvikende så langt. I 2018 rapporterte EDGE-eksperimentet påvisning av 26 cm-signaler, men funnene kunne ikke bekreftes uavhengig. Hovedspørsmålet var instrumentsystematisk og kontaminering med de andre signalene fra himmelen. REACH-eksperimentet er å bruke unik metodikk for å overvinne flaskehalsen. Det er å håpe at denne forskergruppen vil være pålitelig i stand til å oppdage disse unnvikende signalene i nær fremtid. Hvis det lykkes, kan REACH-eksperiment bringe '26 cm radioastronomi' i forkant i studiet av tidlig univers og hjelpe oss mye med å avdekke mysteriene fra tidlig univers. 

Når det gjelder studiet av tidlig univers, navn på nylig lansert James Webb Space Telescope (JWST) dukker opp i tankene våre. JWST, en etterfølger av stor suksess Hubble teleskop, er en plass-basert, infrarødt observatorium utstyrt for å fange optiske/infrarøde signaler fra de tidlige stjernene og galaksene dannet i Universe like etter Big Bang¹. Imidlertid JWST har noen begrensning så langt som å plukke opp signaler fra den nøytrale epoken tidlig univers er bekymret.  

Tabell: Epoker i historien til univers siden Big Bang  

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

Opptil 380 k år etter det store smellet univers var fylt med ionisert gass og var helt ugjennomsiktig. Mellom 380k – 400 millioner år, den univers hadde blitt nøytral og transparent. Epoken med reionisering startet etter denne fasen og startet 400 millioner etter det store smellet.  

Under den nøytrale epoken tidlig univers, når univers var fylt med nøytrale gasser og var gjennomsiktig, det ble ikke sendt ut noe optisk signal (derav kalt mørk alder). Unionisert materiale avgir ikke lys. Dette utgjør en utfordring i studiet av tidlig Universe av nøytral epoke. Mikrobølgestråling på 21 cm bølgelengde (tilsvarer 1420 MHz) som sendes ut av det kalde, nøytrale kosmiske hydrogenet i denne epoken som et resultat av hyperfin overgang (fra parallelt spinn til mer stabilt antiparallelt spinn) gir imidlertid muligheter for forskere. Denne 21 cm mikrobølgestrålingen vil bli rødforskyvet når den når jorden og vil bli observert ved 200MHz til 10 MHz frekvenser som radiobølger^2,3.  

21 cm radioastronomi: Observasjon av 21-centimeter kosmiske hydrogensignaler tilbyr en alternativ tilnærming til studiet av tidlig univers spesielt av nøytral epokefase som var blottet for lysutslipp. Dette kan også informere oss om ny fysikk som fordeling av materie over tid, mørk energi, mørk materie, nøytrinomasser og inflasjon².  

Imidlertid sendte 21-cm-signalene ut av det kosmiske hydrogenet i løpet av tidlig univers fase er unnvikende. Det forventes å være ekstremt svakt (omtrent hundre tusen ganger svakere enn andre radiosignaler som også kommer fra himmelen). Som et resultat er denne tilnærmingen fortsatt i barndommen.  

I 2018 hadde forskere rapportert påvisning av et slikt radiosignal ved en frekvens på 78 MHz hvis profil stort sett var i samsvar med forventningene til det 21-centimeters signalet som sendes ut av det opprinnelige kosmiske hydrogenet⁴. Men denne påvisningen av det opprinnelige 21-cm radiosignalet kunne ikke bekreftes uavhengig, og derfor kunne påliteligheten til eksperimentet ikke fastslås så langt. Hovedproblemet ser ut til å være forurensning med radiosignalene i forgrunnen.  

Den siste milepælen er rapporten fra Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) 21. juli 2022. REACH vil bruke en ny eksperimentell tilnærming for å oppdage disse svake unnvikende kosmiske radiosignalene og gir dermed et nytt håp om bekreftelse av 21-centimeter kosmiske signaler.  

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 eksperiment 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.  

Denne utviklingen er betydelig gitt potensialet til å være et av de beste verktøyene (og kostnadseffektivt også i forhold til plass-baserte observatorier som james webb) for studier av tidlig univers samt mulighet for å innlede ny grunnleggende fysikk.  

*** 

Referanser:  

1. Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): Det første romobservatoriet dedikert til studiet av det tidlige universet. Vitenskapelig europeisk. Lagt ut 6. november 2021. Tilgjengelig på 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. århundre. Rapporter om fremgang i fysikk 75 086901. Tilgjengelig på https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Fortrykk på arXiv tilgjengelig på https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf-versjon  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford University. Philosophy of Cosmology – 21 cm bakgrunn. Tilgjengelig i http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. En absorpsjonsprofil sentrert på 78 megahertz i det himmelgjennomsnittlige spekteret. 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 for å detektere 21-cm hydrogensignalet fra rødforskyvning z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Avduking av mysteriene til spedbarnsuniverset med REACH-radiometeret. Tilgjengelig online på  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***