Opazovanje 26 cm radio signali, ki nastanejo zaradi hiperfinega prehoda kozmičnega vodika, ponujajo alternativno orodje za preučevanje zgodnjih Vesolje. Kar se tiče nevtralne dobe dojenčka Vesolje ko svetlobe ni bilo, so 26 cm črte morda samo okno. Vendar so te rdeče premaknjene radio signale, ki jih oddaja kozmični vodik v zgodnjih Vesolje so izjemno šibki in do zdaj nedosegljivi. Leta 2018 je eksperiment EDGE poročal o zaznavi 26 cm signalov, vendar ugotovitev ni bilo mogoče neodvisno potrditi. Glavna težava je bila sistematičnost instrumentov in kontaminacija z drugimi signali z neba. Poskus REACH je uporaba edinstvene metodologije za premagovanje ozkega grla. Upamo, da bo ta raziskovalna skupina v bližnji prihodnosti zanesljivo lahko zaznala te izmuzljive signale. Če bo uspešen, bo poskus REACH morda postavil '26 cm radijsko astronomijo' v ospredje študije zgodnjih Vesolje in nam veliko pomagajo pri razkrivanju skrivnosti zgodnjega Vesolje.
Ko gre za preučevanje zgodnje vesolje, ime nedavno predstavljenega vesoljski teleskop James Webb (JWST) se pojavi v naših mislih. JWST, naslednik izjemno uspešnega Hubble teleskop, je a prostorinfrardeči observatorij, opremljen za zajemanje optičnih/infrardečih signalov iz zgodnjih zvezd in galaksij, ki so nastale v Vesolje kmalu po velikem poku1. Vendar pa JWST ima nekaj omejitev glede zajemanja signalov iz nevtralnega obdobja zgodnje vesolje je zaskrbljen.
Tabela: Epohe v zgodovini Vesolje od velikega poka
(Vir: Filozofija kozmologije – ozadje 21 cm. Dostopno na http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)
Do 380 tisoč let po velikem poku je Vesolje je bila napolnjena z ioniziranim plinom in je bila popolnoma neprozorna. Med 380k – 400 milijoni let, Vesolje postala nevtralna in pregledna. Obdobje reionizacije se je začelo po tej fazi 400 milijonov po velikem poku.
V nevtralni dobi zgodnjega Vesolje, ko Vesolje je bila napolnjena z nevtralnimi plini in je bila prozorna, optičnega signala ni bilo oddano (zato se imenuje temna doba). Unioniziran material ne oddaja svetlobe. To predstavlja izziv pri preučevanju zgodnjih Vesolje nevtralne epohe. Vendar pa mikrovalovno sevanje z valovno dolžino 21 cm (kar ustreza 1420 MHz), ki ga oddaja hladen, nevtralen kozmični vodik v tem obdobju kot posledica hiperfinega prehoda (od vzporednega vrtenja do stabilnejšega anti-vzporednega vrtenja), ponuja raziskovalcem priložnosti. To 21 cm mikrovalovno sevanje bi se premaknilo v rdečo barvo, ko bi doseglo Zemljo, in ga bodo opazovali pri frekvencah od 200 MHz do 10 MHz kot radijske valove.2,3.
21 cm radijska astronomija: Opazovanje 21-centimetrskih kozmičnih vodikovih signalov ponuja alternativni pristop k preučevanju zgodnjih Vesolje zlasti faze nevtralne epohe, ki je bila brez kakršne koli emisije svetlobe. To nas lahko obvešča tudi o novi fiziki, kot je porazdelitev snovi skozi čas, temna energija, temna snov, mase nevtrinov in inflacija.2.
Vendar pa 21-cm signali, ki jih oddaja kozmični vodik med zgodnjim Vesolje faza je izmuzljiva. Pričakuje se, da bo izjemno šibek (približno stotisočkrat šibkejši od drugih radijskih signalov, ki izvirajo tudi z neba). Posledično je ta pristop še v povojih.
Leta 2018 so raziskovalci poročali o zaznavi takšnega radijskega signala na frekvenci 78 MHz, katerega profil je bil v veliki meri skladen s pričakovanji za 21-centimetrski signal, ki ga oddaja prvobitni kozmični vodik.4. Toda tega odkrivanja prvotnega 21-cm radijskega signala ni bilo mogoče neodvisno potrditi, zato zanesljivosti poskusa doslej ni bilo mogoče ugotoviti. Zdi se, da je glavna težava kontaminacija z radijskimi signali v ospredju.
Najnovejši mejnik je poročilo o radijskem eksperimentu za analizo kozmičnega vodika (REACH) 21. julija 2022. REACH bo uporabil nov eksperimentalni pristop za zaznavanje teh šibkih izmuzljivih kozmičnih radijskih signalov in tako ponuja novo upanje za potrditev 21-centimetrskih kozmičnih signalov.
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 poskus 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.
Ta razvoj je pomemben glede na njegov potencial, da postane eno najboljših orodij (in preveč stroškovno učinkovito v primerjavi z prostorobservatoriji, kot so james webb) za študij zgodnjih Vesolje kot tudi možnost uvedbe nove temeljne fizike.
***
Reference:
- Prasad U., 2021. Vesoljski teleskop Jamesa Webba (JWST): Prvi vesoljski observatorij, posvečen preučevanju zgodnjega vesolja. Znanstveni evropski. Objavljeno 6. novembra 2021. Na voljo na http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA in Loeb A., 2012. 21 cm kozmologija v 21. stoletju. Poročila o napredku fizike 75 086901. Dostopno na https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Prednatis na arXiv na voljo na https://arxiv.org/abs/1109.6012 pdf različica https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Oxfordska univerza. Filozofija kozmologije – ozadje 21 cm. Na voljo na http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Absorpcijski profil s središčem pri 78 megahercih v nebu povprečnem spektru. Narava 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Radiometer REACH za zaznavanje 21-cm vodikovega signala iz rdečega premika z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Razkrivanje skrivnosti mladega vesolja z radiometrom REACH. Na voljo na spletnem naslovu https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
***
