Novērojums 26 cm radio signāli, kas veidojas kosmiskā ūdeņraža hipersmalkās pārejas dēļ, piedāvā alternatīvu līdzekli agrīnas izpētes veikšanai visums. Kas attiecas uz neitrālu zīdaiņa laikmetu visums kad gaisma netika izstarota, 26 cm līnijas varbūt ir tikai logs. Tomēr šie sarkanie nobīde radio Kosmiskā ūdeņraža radītie signāli sākumā visums ir ārkārtīgi vāji un līdz šim ir bijuši nenotverami. 2018. gadā EDGE eksperiments ziņoja par 26 cm signālu noteikšanu, taču konstatējumus nevarēja neatkarīgi apstiprināt. Galvenā problēma bija instrumentu sistemātiskums un piesārņojums ar citiem signāliem no debesīm. REACH eksperimenta mērķis ir izmantot unikālu metodiku, lai pārvarētu vājo vietu. Cerams, ka šī pētniecības grupa tuvākajā nākotnē spēs droši noteikt šos nenotveramos signālus. Ja tas izdosies, REACH eksperiments var izvirzīt "26 cm radioastronomiju" priekšplānā agrīnās attīstības pētījumos. visums un palīdz mums atšķetināt agrīnā laika noslēpumus visums.
Kad runa ir par izpēti agrīnais Visums, nesen palaists nosaukums Džeimsa Vēba kosmosa teleskops (JWST) parādās mūsu prātā. JWST, pēctecis ļoti veiksmīgam Habla teleskops, ir a telpa- balstīta infrasarkanā observatorija, kas aprīkota, lai uztvertu optiskos/infrasarkanos signālus no agrīnajām zvaigznēm un galaktikām, kas izveidojušās Visums drīz pēc Lielā sprādziena1. Tomēr, JWST ir daži ierobežojumi, kas attiecas uz signālu uztveršanu no neitrāla laikmeta agrīnais Visums ir nobažījies.
Tabula: Laikmeti vēsturē visums kopš Lielā sprādziena
(Avots: Kosmoloģijas filozofija – 21 cm fons. Pieejams plkst http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)
Līdz 380 XNUMX gadu pēc lielā sprādziena, visums bija piepildīts ar jonizētu gāzi un bija pilnībā necaurspīdīgs. No 380 400 līdz XNUMX XNUMX miljoniem gadu visums kļuva neitrāla un caurspīdīga. Reionizācijas laikmets sākās pēc šīs fāzes, sākot ar 400 miljoniem pēc lielā sprādziena.
Agrā neitrālā laikmeta laikā visums, kad visums bija piepildīts ar neitrālām gāzēm un bija caurspīdīgs, optiskais signāls netika izstarots (tātad to sauc par tumšo vecumu). Savienotais materiāls neizstaro gaismu. Tas rada izaicinājumu agrīnās pētījumos Visums neitrāla laikmeta. Tomēr 21 cm viļņa garuma (atbilst 1420 MHz) mikroviļņu starojums, ko šajā laikmetā izstaro auksts, neitrāls kosmiskais ūdeņradis hipersmalkas pārejas rezultātā (no paralēlās griešanās uz stabilāku antiparalēlo spinu), piedāvā pētniekiem iespējas. Šis 21 cm mikroviļņu starojums tiktu sarkanā nobīde, sasniedzot Zemi, un tiks novērots 200MHz līdz 10 MHz frekvencēs kā radioviļņi2,3.
21 cm radioastronomija: 21 centimetru kosmisko ūdeņraža signālu novērošana piedāvā alternatīvu pieeju agrīnās attīstības pētīšanai visums jo īpaši neitrāla laikmeta fāze, kurā nebija gaismas emisijas. Tas var arī mūs informēt par jaunu fiziku, piemēram, matērijas sadalījumu laikā, tumšo enerģiju, tumšo vielu, neitrīno masām un inflāciju2.
Tomēr 21 cm signāli, ko kosmiskais ūdeņradis izstaro agri visums fāze ir nenotverama. Paredzams, ka tas būs ārkārtīgi vājš (apmēram simts tūkstošus reižu vājāks nekā citi radiosignāli, kas arī izplūst no debesīm). Līdz ar to šī pieeja vēl ir sākumstadijā.
2018. gadā pētnieki bija ziņojuši par šāda radiosignāla noteikšanu 78 MHz frekvencē, kura profils lielā mērā atbilda gaidāmajam 21 centimetra signālam, ko izstaro pirmatnējais kosmiskais ūdeņradis.4. Bet šo pirmatnējā 21 cm radiosignāla noteikšanu nevarēja neatkarīgi apstiprināt, tāpēc eksperimenta ticamību līdz šim nevarēja noteikt. Šķiet, ka galvenā problēma ir piesārņojums ar priekšplāna radio signāliem.
Jaunākais pavērsiens ir 21. gada 2022. jūlija ziņojums par radioeksperimentu kosmiskā ūdeņraža analīzei (REACH). REACH izmantos jaunu eksperimentālu pieeju, lai noteiktu šos vājos, netveramos kosmiskos radiosignālus, tādējādi piedāvājot jaunu cerību apstiprināt 21 centimetra kosmiskos signālus.
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 eksperiments 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.
Šī attīstība ir nozīmīga, ņemot vērā tās potenciālu kļūt par vienu no labākajiem instrumentiem (un salīdzinājumā ar to ir pārāk rentabla telpa- balstītas observatorijas, piemēram Džeimss Vebs) agrīnas izpētei visums kā arī iespēja ieviest jaunas fundamentālās fizikas.
***
Norādes:
- Prasad U., 2021. Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST): pirmā kosmosa observatorija, kas veltīta agrīnā Visuma izpētei. Zinātniskais eiropietis. Publicēts 6. gada 2021. novembrī. Pieejams plkst http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA un Loeb A., 2012. 21 cm kosmoloģija 21. gadsimtā. Atskaites par progresu fizikā 75 086901. Pieejams plkst https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Iepriekšēja izdruka vietnē arXiv pieejama vietnē https://arxiv.org/abs/1109.6012 pdf versija https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Oksfordas universitāte. Kosmoloģijas filozofija – 21 cm fons. Pieejams plkst http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Absorbcijas profils, kura centrs ir 78 megaherci debess vidējā spektrā. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. REACH radiometrs 21 cm ūdeņraža signāla noteikšanai no sarkanās nobīdes z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Atklājot zīdaiņu Visuma noslēpumus, izmantojot REACH radiometru. Pieejams tiešsaistē plkst https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
***
