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

Observation of 26 cm радио signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early вселена. As for neutral epoch of the infant вселена when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted радио signals emitted by cosmic hydrogen in the early вселена are extremely feeble and have been elusive so far. In 2018, EDGE experiment reported detection of 26 cm signals but the findings could not be independently confirmed. The main issue was instrument systematic and contamination with the other signals from the sky. The REACH Experiment is to employ unique methodology to overcome the bottleneck. It is hoped that this research group will reliably be able to detect these elusive signals in near future. If successful, REACH Experiment may bring ‘26 cm radio astronomy’ to the forefront in the study of early вселена and help us much in unravelling the mysteries of early вселена. 

Когато става дума за изучаване на ранната вселена, name of recently launched Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful "Хъбъл" telescope, is a пространство-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Вселена soon after the Big Bang¹. Въпреки това, JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of ранната вселена е загрижен.  

Table: Epochs in the history of вселена since the Big Bang  

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

Up to 380 k years after the big bang, the вселена was filled with ionised gas and was fully opaque. Between 380k – 400 million years, the вселена had become neutral and transparent. The epoch of reionisation started after this phase starting 400 million after the big bang.  

During the neutral epoch of early вселена, когато вселена was filled with neutral gases and was transparent, no optical signal was emitted (hence called dark age). Unionized material does not emit light. This poses a challenge in study of early Вселена of neutral epoch. However, microwave radiation of 21 cm wavelength (corresponding to 1420 MHz) emitted by the cold, neutral cosmic hydrogen during this epoch as a result of hyperfine transition (from parallel spin to more stable anti-parallel spin) offers opportunities to researchers. This 21 cm microwave radiation would be redshifted upon reaching Earth and will be observed at 200MHz to 10 MHz frequencies as radio waves^2,3.  

21 cm радиоастрономия: Observation of 21-centimeter cosmic hydrogen signals offers an alternative approach to the study of early вселена especially of neutral epoch phase that was devoid of any light emission. This can also inform us about new physics such as distribution of matter over time, dark energy, dark matter, neutrino masses, and inflation².  

However, the 21-cm signals emitted by the cosmic hydrogen during early вселена phase is elusive. It is expected to be extremely weak (about one hundred thousand times weaker than other radio signals also emanating from the sky). As a result, this approach is still in infancy.  

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.  

This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis пространство-based observatories like Джеймс Уеб) for study of early вселена as well as possibility of ushering in of new fundamental physics.  

*** 

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 

***