Наблюдението на 26 см радиосигнали , образувани поради свръхфин преход на космическия водород, предлага алтернативен инструмент за изучаване на ранната Вселена . Що се отнася до неутралната епоха на младата Вселена , когато не е излъчвана светлина, 26 см линиите са може би само прозорец. Тези червено изместени радиосигнали , излъчвани от космическия водород в ранната Вселена , обаче са изключително слаби и досега са били неуловими. През 2018 г. експериментът EDGE съобщи за откриване на 26 см сигнали, но резултатите не можаха да бъдат независимо потвърдени. Основният проблем беше систематичността на инструмента и замърсяването с други сигнали от небето. Експериментът REACH ще използва уникална методология за преодоляване на пречката. Надяваме се, че тази изследователска група ще може надеждно да открива тези неуловими сигнали в близко бъдеще. Ако бъде успешен, експериментът REACH може да изведе „26 см радиоастрономията“ на преден план в изучаването на ранната Вселена и да ни помогне много в разкриването на мистериите на ранната Вселена.
Когато става въпрос за изучаване на ранната Вселена , името на наскоро изстреляния космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) изниква в съзнанието ни. JWST , наследник на изключително успешния телескоп Хъбъл , е космическа инфрачервена обсерватория, оборудвана за улавяне на оптични/инфрачервени сигнали от ранните звезди и галактики, образувани във Вселената скоро след Големия взрив 1 . JWST обаче има някои ограничения по отношение на улавянето на сигнали от неутралната епоха на ранната Вселена.
Таблица: Епохи в историята на Вселената след Големия взрив
(Източник: Философия на космологията – 21 см фон. Достъпно на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
До 380 хиляди години след Големия взрив, Вселената е била изпълнена с йонизиран газ и е била напълно непрозрачна. Между 380 хиляди и 400 милиона години Вселената е станала неутрална и прозрачна. Епохата на рейонизация е започнала след тази фаза, започвайки 400 милиона след Големия взрив.
По време на неутралната епоха на ранната Вселена , когато Вселената е била изпълнена с неутрални газове и прозрачна, не е бил излъчван оптичен сигнал (оттук и наречена тъмна епоха). Неорганизираният материал не излъчва светлина. Това представлява предизвикателство при изучаването на ранната Вселена в неутрална 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 паралелен спин към по-стабилен антипаралелен спин), предлага възможности на изследователите. Това микровълново лъчение с дължина на вълната 21 cm би било изместено в червено при достигане на Земята и ще бъде наблюдавано при честоти от 200 MHz до 10 MHz като радиовълни 2,3.
21-сантиметрова радиоастрономия: Наблюдението на 21-сантиметрови космически водородни сигнали предлага алтернативен подход към изучаването на ранната Вселена , особено на фазата на неутрална епоха, която е била лишена от светлинно излъчване. Това може да ни даде и информация за нови физични процеси, като например разпределението на материята във времето, тъмната енергия, масите на неутриното и инфлацията2.
Въпреки това, 21-сантиметровите сигнали, излъчвани от космическия водород по време на ранната фаза на Вселената , са неуловими. Очаква се те да бъдат изключително слаби (около сто хиляди пъти по-слаби от други радиосигнали, излъчвани също от небето). В резултат на това този подход е все още в начален стадий.
През 2018 г. изследователи съобщиха за откриване на такъв радиосигнал с честота 78 MHz, чийто профил до голяма степен съответстваше на очакванията за 21-сантиметровия сигнал, излъчван от първичния космически водород 4. Но това откриване на първичен 21-сантиметров радиосигнал не можа да бъде потвърдено независимо, 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 космически водород (REACH) е експеримент с осреднена небесна дължина на вълната от 21 см. Целта му е да подобри наблюденията чрез справяне с проблемите, пред които са изправени инструментите, свързани с остатъчните 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 от около 7.5 до 28) и калибратор на приемник, базиран на полеви измервания.
Това развитие е значимо, предвид потенциала му да бъде един от най-добрите инструменти (и рентабилен в сравнение с космически обсерватории като Джеймс Уеб ) за изучаване на ранната Вселена , както и възможността за въвеждане на нова фундаментална физика.
***
Литература:
- 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/
- 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
- Оксфордския университет. Философия на космологията – 21 см фон. Наличен в http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- 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
- 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
- Eloy de Lera Acedo 2022. Разкриване на мистериите на детската Вселена с радиометъра REACH. Предлага се онлайн на https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
***
