Изследване на ранната вселена: Експеримент REACH за откриване на неуловима 21-сантиметрова линия от космическия водород 

Наблюдение на 26см радио сигнали, образувани поради свръхфин преход на космически водород, предлагат алтернативен инструмент за изследване на ранните вселена. Що се отнася до неутралната епоха на бебето вселена когато не е излъчвана светлина, 26 cm линии са може би само прозорец. Въпреки това, тези червени премествания радио сигнали, излъчвани от космическия водород в ран вселена са изключително слаби и неуловими досега. През 2018 г. експериментът EDGE съобщава за откриване на 26 cm сигнали, но констатациите не могат да бъдат независимо потвърдени. Основният проблем беше систематичността на инструмента и замърсяването с другите сигнали от небето. Експериментът REACH е да използва уникална методология за преодоляване на пречките. Надяваме се, че тази изследователска група ще може надеждно да открие тези неуловими сигнали в близко бъдеще. Ако бъде успешен, експериментът REACH може да изведе „26 cm радиоастрономия“ на преден план в изследването на ранните вселена и ни помагат много в разгадаването на мистериите на ранните вселена. 

Когато става дума за изучаване на ранната вселена, име на наскоро стартирания Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) изниква в съзнанието ни. JWST, наследник на изключително успешен "Хъбъл" телескоп, е a пространствоинфрачервена обсерватория, оборудвана за улавяне на оптични/инфрачервени сигнали от ранните звезди и галактики, формирани в Вселена скоро след Големия взрив¹. Въпреки това, JWST има известно ограничение по отношение на улавянето на сигнали от неутралната епоха на ранната вселена е загрижен.  

Таблица: Епохи в историята на вселена от Големия взрив  

(Източник: Философия на космологията – 21 см фон. Наличен на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

До 380 XNUMX години след големия взрив, вселена беше пълен с йонизиран газ и беше напълно непрозрачен. Между 380k – 400 милиона години, вселена стана неутрален и прозрачен. Епохата на реионизацията започна след тази фаза, започвайки 400 милиона след големия взрив.  

През неутралната епоха на ран вселена, когато вселена е бил пълен с неутрални газове и е бил прозрачен, не е излъчван оптичен сигнал (оттук наречен тъмна епоха). Съюзният материал не излъчва светлина. Това представлява предизвикателство при изучаването на ранните Вселена от неутралната епоха. Въпреки това, микровълновото лъчение с дължина на вълната 21 cm (съответстващо на 1420 MHz), излъчвано от студения, неутрален космически водород през тази епоха в резултат на свръхфин преход (от паралелно въртене към по-стабилно анти-паралелно въртене), предлага възможности на изследователите. Това 21 cm микровълново лъчение ще бъде изместено в червено при достигане на Земята и ще се наблюдава при честоти от 200 MHz до 10 MHz като радиовълни^2,3.  

21 cm радиоастрономия: Наблюдението на 21-сантиметрови космически водородни сигнали предлага алтернативен подход към изследването на ранните вселена особено на фаза на неутрална епоха, която е лишена от каквото и да е светлинно излъчване. Това също може да ни информира за нова физика като разпределение на материята във времето, тъмна енергия, тъмна материя, маси на неутрино и инфлация².  

Въпреки това, 21-сантиметровите сигнали, излъчвани от космическия водород по време на ранните вселена фазата е неуловима. Очаква се да бъде изключително слаб (около сто хиляди пъти по-слаб от други радиосигнали, също излъчващи се от небето). В резултат на това този подход е все още в ранна детска възраст.  

През 2018 г. изследователите докладваха за откриване на такъв радиосигнал на честота от 78 MHz, чийто профил до голяма степен съответстваше на очакванията за 21-сантиметровия сигнал, излъчван от първичния космически водород⁴. Но това откриване на първичен 21-сантиметров радиосигнал не може да бъде независимо потвърдено, следователно надеждността на експеримента не може да бъде установена досега. Основният проблем изглежда е замърсяването с радиосигналите на преден план.  

Последният крайъгълен камък е докладът за радио експеримента за анализ на космическия водород (REACH) на 21 юли 2022 г. REACH ще използва нов експериментален подход за откриване на тези слаби неуловими космически радиосигнали, като по този начин предлага нова надежда за потвърждение на 21-сантиметрови космически сигнали.  

Радиоекспериментът за анализ на космическия водород (REACH) е средно небесен 21-сантиметров експеримент. Това има за цел да подобри наблюденията чрез управление на проблеми, пред които са изправени инструментите, свързани с остатъчни систематични сигнали в данните. Той се фокусира върху откриването и съвместното обяснение на систематиката заедно с предния план и космологичния сигнал, използвайки байесова статистика. Експериментът включва едновременни наблюдения с две различни антени, ултрашироколентова система (диапазон на червено отместване около 7.5 до 28) и калибратор на приемника, базиран на измервания на място.  

Това развитие е важно предвид потенциала му да бъде един от най-добрите инструменти (и твърде рентабилен в сравнение с пространствобазирани обсерватории като Джеймс Уеб) за изучаване на ран вселена както и възможността за въвеждане на нова фундаментална физика.  

*** 

Литература:  

1. Prasad U., 2021. Космически телескоп на Джеймс Уеб (JWST): Първата космическа обсерватория, посветена на изследването на ранната Вселена. Научен европеец. Публикувано на 6 ноември 2021 г. Налично на 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 и Loeb A., 2012. 21 cm космология през 21 век. Доклади за напредъка във физиката 75 086901. Наличен на https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Предварителен печат в arXiv, достъпен на https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf версия  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Оксфордския университет. Философия на космологията – 21 см фон. Наличен в http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Профил на поглъщане, центриран на 78 мегахерца в осреднения за небето спектър. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Радиометърът REACH за откриване на 21-cm водороден сигнал от червено отместване z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Разкриване на мистериите на детската Вселена с радиометъра REACH. Предлага се онлайн на  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***