Ankstyvosios visatos tyrimas: REACH eksperimentas, skirtas aptikti nepagaunamą 21 cm liniją iš kosminio vandenilio 

Stebėjimas 26 cm radijo Signalai, susidarę dėl itin smulkaus kosminio vandenilio perėjimo, yra alternatyvi priemonė ankstyvųjų tyrimų tyrimams visata. Kalbant apie neutralią kūdikio epochą visata kai nebuvo skleidžiama šviesa, 26 cm linijos yra galbūt tik langas. Tačiau šie raudonai pasikeitė radijo pradžioje kosminio vandenilio skleidžiami signalai visata yra labai silpni ir iki šiol buvo sunkiai pasiekiami. 2018 m. EDGE eksperimentas pranešė apie 26 cm signalų aptikimą, tačiau išvados negalėjo būti patvirtintos atskirai. Pagrindinė problema buvo prietaisų sistemingumas ir užteršimas kitais signalais iš dangaus. REACH eksperimento tikslas – taikant unikalią metodiką kliūtims įveikti. Tikimasi, kad ši tyrimų grupė artimiausiu metu galės patikimai aptikti šiuos sunkiai suvokiamus signalus. Jei pasiseks, REACH eksperimentas gali iškelti „26 cm radijo astronomiją“ į pirmąją vietą tiriant ankstyvuosius visata ir labai padeda mums atskleisti ankstyvojo laikotarpio paslaptis visata. 

Kalbant apie tyrimą ankstyvoji visata, neseniai išleistas pavadinimas Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST) pasirodo mūsų galvoje. JWST, labai sėkmingų kūrinių įpėdinis Hablo teleskopas, yra a erdvė- pagrįsta infraraudonųjų spindulių observatorija, pritaikyta užfiksuoti optinius / infraraudonuosius signalus iš ankstyvųjų žvaigždžių ir galaktikų, susidariusių Visata netrukus po Didžiojo sprogimo¹. Tačiau, JWST turi tam tikrų apribojimų, susijusių su signalų priėmimu iš neutralios epochos ankstyvoji visata yra susirūpinęs.  

Lentelė: Istorijos epochos visata nuo Didžiojo sprogimo  

(Šaltinis: Kosmologijos filosofija – 21 cm fonas. Prieiga prie http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Iki 380 tūkst. metų po Didžiojo sprogimo, visata buvo užpildytas jonizuotomis dujomis ir buvo visiškai nepermatomas. 380–400 milijonų metų visata tapo neutralus ir skaidrus. Reionizacijos epocha prasidėjo po šio etapo, prasidėjus 400 mln. po Didžiojo sprogimo.  

Ankstyvosios neutralios epochos metu visata, kai visata buvo užpildytas neutraliomis dujomis ir buvo skaidrus, nespinduliavo joks optinis signalas (todėl vadinamas tamsiuoju amžiumi). Sujungta medžiaga neskleidžia šviesos. Tai kelia iššūkį ankstyvo tyrimo metu Visata neutralios epochos. Tačiau 21 cm bangos ilgio (atitinka 1420 MHz) mikrobangų spinduliuotė, kurią per šią epochą skleidžia šaltas, neutralus kosminis vandenilis dėl itin smulkaus perėjimo (iš lygiagretaus sukimosi į stabilesnį antilygiagretąjį sukimąsi), suteikia tyrėjams galimybių. Ši 21 cm mikrobangų spinduliuotė pasiekus Žemę būtų raudonai pasislinkusi ir bus stebima 200–10 MHz dažniais kaip radijo bangos.^2,3.  

21 cm radijo astronomija: 21 centimetro kosminių vandenilio signalų stebėjimas siūlo alternatyvų ankstyvojo tyrimo metodą visata ypač neutralios epochos fazės, kurioje nebuvo jokios šviesos spinduliuotės. Tai taip pat gali mus informuoti apie naują fiziką, pvz., materijos pasiskirstymą laikui bėgant, tamsiąją energiją, tamsiąją medžiagą, neutrinų mases ir infliaciją.².  

Tačiau kosminio vandenilio skleidžiami 21 cm signalai anksti visata fazė yra sunkiai suprantama. Manoma, kad jis bus itin silpnas (apie šimtą tūkstančių kartų silpnesnis už kitus radijo signalus, taip pat sklindančius iš dangaus). Todėl šis požiūris dar tik kūdikystėje.  

2018 m. mokslininkai pranešė aptikę tokį radijo signalą 78 MHz dažniu, kurio profilis iš esmės atitiko lūkesčius dėl pirminio kosminio vandenilio skleidžiamo 21 centimetro signalo.⁴. Tačiau šis pirminio 21 cm radijo signalo aptikimas negalėjo būti nepriklausomai patvirtintas, todėl iki šiol nepavyko nustatyti eksperimento patikimumo. Atrodo, kad pagrindinė problema yra užteršimas pirmame plane esančiais radijo signalais.  

Paskutinis etapas – 21 m. liepos 2022 d. Radijo eksperimento kosminio vandenilio analizei (REACH) ataskaita. REACH taikys naują eksperimentinį metodą šiems silpniems nepagaunamiems kosminiams radijo signalams aptikti, taigi suteiks naują viltį patvirtinti 21 centimetro kosminius signalus.  

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 eksperimentas 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.  

Ši plėtra yra reikšminga, nes ji gali būti viena geriausių priemonių (ir ekonomiškai efektyvi, palyginti su vis erdvė- įsikūrusios observatorijos kaip Jamesas Webbas) ankstyvam tyrimui visata taip pat galimybė įvesti naują fundamentalią fiziką.  

*** 

Nuorodos:  

1. Prasad U., 2021. James Webb kosminis teleskopas (JWST): pirmoji kosmoso observatorija, skirta ankstyvosios visatos studijoms. Mokslinis Europos. Paskelbta 6 m. lapkričio 2021 d 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 ir Loeb A., 2012. 21 cm kosmologija XXI amžiuje. Ataskaitos apie fizikos pažangą 21 75. Prieiga https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Išankstinis spausdinimas „arXiv“ pasiekiamas adresu https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf versija  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oksfordo universitetas. Kosmologijos filosofija – 21 cm fonas. Galimas adresu http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. ir kt. Sugerties profilis, kurio centras yra 78 megahercų vidutiniame dangaus spektre. Gamta 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. ir kt. REACH radiometras, skirtas aptikti 21 cm vandenilio signalą nuo raudonojo poslinkio z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Kūdikių Visatos paslapčių atskleidimas naudojant REACH radiometrą. Galima internetu adresu  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***