Μελέτη του Πρώιμου Σύμπαντος: Πείραμα REACH για την ανίχνευση άπιαστης γραμμής 21 cm από Κοσμικό Υδρογόνο 

Observation of 26 cm radio signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early σύμπαν. As for neutral epoch of the infant σύμπαν when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted radio signals emitted by cosmic hydrogen in the early σύμπαν 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 σύμπαν and help us much in unravelling the mysteries of early σύμπαν. 

Όταν πρόκειται για τη μελέτη του πρώιμο σύμπαν, name of recently launched Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) pops up in our mind. Jwst, a successor of hugely successful Hubble telescope, is a space-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Σύμπαν soon after the Big Bang¹. Ωστόσο, Jwst has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of πρώιμο σύμπαν ανησυχεί.  

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

(Πηγή: Philosophy of Cosmology – 21 εκ. φόντο. Διαθέσιμο στο http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Up to 380 k years after the big bang, the σύμπαν was filled with ionised gas and was fully opaque. Between 380k – 400 million years, the σύμπαν 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 σύμπαν, όταν ο σύμπαν 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 Σύμπαν 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.  

Ραδιοαστρονομία 21 cm: Observation of 21-centimeter cosmic hydrogen signals offers an alternative approach to the study of early σύμπαν 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 σύμπαν 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.  

Το 2018, οι ερευνητές είχαν αναφέρει την ανίχνευση ενός τέτοιου ραδιοφωνικού σήματος σε συχνότητα 78 MHz του οποίου το προφίλ ήταν σε μεγάλο βαθμό συνεπές με τις προσδοκίες για το σήμα των 21 εκατοστών που εκπέμπεται από το αρχέγονο κοσμικό υδρογόνο⁴. Ωστόσο, αυτή η ανίχνευση αρχέγονου ραδιοφωνικού σήματος 21 cm δεν μπορούσε να επιβεβαιωθεί ανεξάρτητα, επομένως η αξιοπιστία του πειράματος δεν μπορούσε να τεκμηριωθεί μέχρι στιγμής. Το κύριο ζήτημα φαίνεται να είναι η μόλυνση με τα σήματα ραδιοφώνου στο προσκήνιο.  

Το πιο πρόσφατο ορόσημο είναι η αναφορά του Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) στις 21 Ιουλίου 2022. Το REACH θα χρησιμοποιήσει νέα πειραματική προσέγγιση για να ανιχνεύσει αυτά τα αδύναμα άπιαστα κοσμικά ραδιοσήματα, προσφέροντας έτσι μια νέα ελπίδα για επιβεβαίωση κοσμικών σημάτων 21 εκατοστών.  

Το ραδιοφωνικό πείραμα για την ανάλυση του κοσμικού υδρογόνου (REACH) είναι ένα πείραμα 21 εκατοστών κατά μέσο όρο στον ουρανό. Αυτό στοχεύει στη βελτίωση των παρατηρήσεων με τη διαχείριση ζητημάτων που αντιμετωπίζουν τα όργανα που σχετίζονται με υπολειπόμενα συστηματικά σήματα στα δεδομένα. Εστιάζει στην ανίχνευση και την από κοινού εξήγηση της συστηματικής μαζί με τα προσκήνια και το κοσμολογικό σήμα χρησιμοποιώντας στατιστικές Bayes. Το πείραμα περιλαμβάνει ταυτόχρονες παρατηρήσεις με δύο διαφορετικές κεραίες, ένα σύστημα εξαιρετικά ευρείας ζώνης (εύρος μετατόπισης στο κόκκινο περίπου 7.5 έως 28) και έναν βαθμονομητή δέκτη που βασίζεται σε μετρήσεις στο πεδίο.  

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

*** 

αναφορές:  

1. Prasad U., 2021. Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST): Το πρώτο Διαστημικό Παρατηρητήριο Αφιερωμένο στη Μελέτη του Πρώιμου Σύμπαντος. Επιστημονικός Ευρωπαϊκός. Δημοσιεύτηκε 6 Νοεμβρίου 2021. Διαθέσιμο στο 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 and Loeb A., 2012. Κοσμολογία 21 cm στον 21ο αιώνα. Αναφορές για την πρόοδο στη Φυσική 75 086901. Διαθέσιμο στο https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Προεκτύπωση στο arXiv διαθέσιμη στο https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf έκδοση  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Φιλοσοφία της Κοσμολογίας – 21 εκ. φόντο. Διαθέσιμο στο http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, Α., Monsalve, R. et αϊ. Ένα προφίλ απορρόφησης επικεντρωμένο στα 78 megahertz στο φάσμα με μέσο όρο του ουρανού. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, Ε., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, Ν. et αϊ. Το ραδιόμετρο REACH για την ανίχνευση του σήματος υδρογόνου 21 cm από μετατόπιση προς το κόκκινο z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Αποκαλύπτοντας τα μυστήρια του βρεφικού Σύμπαντος με το ραδιόμετρο REACH. Διαθέσιμο online στο  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***