Varajase universumi uurimine: REACH-katse, et tuvastada kosmilise vesiniku tabamatu 21-sentimeetrine joon 

Vaatlus 26 cm raadio Kosmilise vesiniku ülipeenest üleminekust tulenevad signaalid pakuvad alternatiivset vahendit varajase uurimise jaoks universum. Mis puutub imikute neutraalsesse ajastusse universum kui valgust ei kiirganud, on 26 cm jooned ehk ainult aken. Need aga punanihkes raadio alguses kosmilise vesiniku poolt väljastatud signaalid universum on äärmiselt nõrgad ja seni tabamatud. 2018. aastal teatas EDGE eksperiment 26 cm signaalide tuvastamisest, kuid tulemusi ei saanud iseseisvalt kinnitada. Peamine probleem oli instrumentide süsteemsus ja saastumine teiste taevast tulevate signaalidega. REACH-katse eesmärk on kasutada kitsaskohtade ületamiseks ainulaadset metoodikat. Loodetakse, et see uurimisrühm suudab lähitulevikus neid raskesti tabatavaid signaale usaldusväärselt tuvastada. Edu korral võib REACH-katse tuua "26 cm raadioastronoomia" varajaste uuringutes esiplaanile. universum ja aitab meil palju varajase aja saladuste lahtiharutamisel universum. 

Kui rääkida uurimisest varajane universum, hiljuti käivitatud nimi James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) hüppab meie mõtetesse. JWST, ülieduka järeltulija Hubble'i teleskoop, on a ruum-põhine infrapuna-observatoorium, mis on varustatud optiliste/infrapunasignaalide püüdmiseks varajastelt tähtedelt ja galaktikatelt, mis tekkisid Universum varsti pärast Suurt Pauku¹. Kuid JWST sellel on mõned piirangud, mis puudutavad signaalide vastuvõtmist neutraalsest ajastust varajane universum on mures.  

Tabel: Epohhid ajaloos universum alates Suurest Paugust  

(Allikas: Cosmology Philosophy – 21 cm taust. Kättesaadav aadressil http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Kuni 380 XNUMX aastat pärast suurt pauku, universum oli täidetud ioniseeritud gaasiga ja oli täielikult läbipaistmatu. 380–400 miljoni aasta vahel universum muutunud neutraalseks ja läbipaistvaks. Reioniseerimise epohh algas pärast seda faasi, mis algas 400 miljonit pärast suurt pauku.  

Varase neutraalse ajastu ajal universum, kui universum oli täidetud neutraalsete gaasidega ja oli läbipaistev, optilist signaali ei väljastatud (seega nimetatakse pimedaks ajaks). Liitmaterjal ei kiirga valgust. See kujutab endast väljakutset varajase uurimise jaoks Universum neutraalsest ajastust. Külma neutraalse kosmilise vesiniku poolt sel epohhil kiirgav 21 cm lainepikkusega mikrolainekiirgus (vastab sagedusele 1420 MHz) pakub aga uurijatele võimalusi ülipeenelt üleminekul (paralleelselt spinnilt stabiilsemale antiparalleelsele spinnile). See 21 cm pikkune mikrolainekiirgus oleks Maale jõudmisel punanihke ja seda jälgitakse raadiolainetena sagedustel 200 MHz kuni 10 MHz^2,3.  

21 cm raadioastronoomia: 21-sentimeetriste kosmiliste vesiniku signaalide vaatlemine pakub alternatiivset lähenemisviisi varajase uurimise jaoks universum eriti neutraalse ajastu faasis, millel puudus igasugune valguse emissioon. See võib meid teavitada ka uuest füüsikast, nagu aine jaotus ajas, tumeenergia, tumeaine, neutriinode massid ja inflatsioon².  

Kuid 21-sentimeetrised signaalid kiirgasid kosmilise vesiniku varakult universum faas on tabamatu. Eeldatavasti on see äärmiselt nõrk (umbes sada tuhat korda nõrgem kui teised taevast lähtuvad raadiosignaalid). Seetõttu on see lähenemine alles lapsekingades.  

2018. aastal olid teadlased teatanud sellise raadiosignaali tuvastamisest sagedusel 78 MHz, mille profiil vastas suures osas ootustele ürgse kosmilise vesiniku poolt väljastatud 21-sentimeetrise signaali kohta.⁴. Kuid seda ürgse 21-sentimeetrise raadiosignaali tuvastamist ei saanud iseseisvalt kinnitada, mistõttu katse usaldusväärsust ei olnud siiani võimalik kindlaks teha. Peamine probleem näib olevat esiplaanil olevate raadiosignaalidega saastumine.  

Viimane verstapost on kosmilise vesiniku analüüsi raadioeksperimendi (REACH) aruanne 21. juulil 2022. REACH kasutab nende nõrkade tabamatute kosmiliste raadiosignaalide tuvastamiseks uudset eksperimentaalset lähenemisviisi, mis annab uue lootuse 21-sentimeetriste kosmiliste signaalide kinnitamiseks.  

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.  

See areng on märkimisväärne, arvestades selle potentsiaali olla üks parimaid tööriistu (ja võrreldes liiga tasuv ruum-põhised vaatluskeskused nagu james webb) varajase uurimise jaoks universum samuti võimalus juurutada uus fundamentaalfüüsika.  

*** 

viited:  

1. Prasad U., 2021. James Webbi kosmoseteleskoop (JWST): esimene kosmoseobservatoorium, mis on pühendatud varajase universumi uurimisele. Teaduslik eurooplane. Postitatud 6. novembril 2021. Saadaval aadressil 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 kosmoloogia 21. sajandil. Aruanded füüsika edusammudest 75 086901. Kättesaadav aadressil https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Eeltrükk aadressil arXiv saadaval aadressil https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf versioon  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxfordi ülikool. Kosmoloogiafilosoofia – 21 cm taust. Saadaval aadressil http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Taevakeskmise spektri neeldumisprofiil, mille keskpunkt on 78 megahertsi. 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-radiomeeter 21 cm vesiniku signaali tuvastamiseks punanihkest z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Imiku universumi saladuste paljastamine REACH-radiomeetriga. Internetis saadaval aadressil  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***