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

Παρατήρηση 26 εκ ραδιόφωνο σήματα, που σχηματίζονται λόγω της υπερλεπτής μετάπτωσης του κοσμικού υδρογόνου προσφέρουν ένα εναλλακτικό εργαλείο στη μελέτη των πρώιμων σύμπαν. Όσο για την ουδέτερη εποχή του βρέφους σύμπαν όταν δεν εκπέμπεται φως, οι γραμμές 26 cm είναι ίσως μόνο παράθυρο. Ωστόσο, αυτά μετατοπίστηκαν στο κόκκινο ραδιόφωνο σήματα που εκπέμπονται από το κοσμικό υδρογόνο στην αρχή σύμπαν είναι εξαιρετικά αδύναμα και μέχρι στιγμής ήταν άπιαστα. Το 2018, το πείραμα EDGE ανέφερε ανίχνευση σημάτων 26 cm, αλλά τα ευρήματα δεν μπορούσαν να επιβεβαιωθούν ανεξάρτητα. Το κύριο ζήτημα ήταν η συστηματική λειτουργία των οργάνων και η μόλυνση με τα άλλα σήματα από τον ουρανό. Το πείραμα REACH είναι να χρησιμοποιήσει μοναδική μεθοδολογία για να ξεπεραστεί η συμφόρηση. Ελπίζεται ότι αυτή η ερευνητική ομάδα θα μπορέσει αξιόπιστα να ανιχνεύσει αυτά τα άπιαστα σήματα στο εγγύς μέλλον. Εάν είναι επιτυχές, το πείραμα REACH μπορεί να φέρει τη «ραδιοαστρονομία 26 cm» στο προσκήνιο στη μελέτη της πρώιμης σύμπαν και μας βοηθούν πολύ στην αποκάλυψη των μυστηρίων των πρώτων σύμπαν. 

Όταν πρόκειται για τη μελέτη του πρώιμο σύμπαν, όνομα του πρόσφατα κυκλοφόρησε Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) αναδύεται στο μυαλό μας. Jwst, διάδοχος τεράστιας επιτυχίας Hubble τηλεσκόπιο, είναι α χώρος-βασισμένο, υπέρυθρο παρατηρητήριο εξοπλισμένο για να συλλαμβάνει οπτικά/υπέρυθρα σήματα από τα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες που σχηματίστηκαν στο Σύμπαν λίγο μετά το Big Bang¹. Ωστόσο, Jwst έχει κάποιους περιορισμούς όσον αφορά τη λήψη σημάτων από την ουδέτερη εποχή του πρώιμο σύμπαν ανησυχεί.  

Πίνακας: Εποχές στην ιστορία του σύμπαν από τη Μεγάλη Έκρηξη  

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

Έως και 380 χιλ. χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη, η σύμπαν ήταν γεμάτο με ιονισμένο αέριο και ήταν πλήρως αδιαφανές. Μεταξύ 380 χιλ. – 400 εκατομμυρίων ετών, το σύμπαν είχε γίνει ουδέτερο και διαφανές. Η εποχή του επαναϊονισμού ξεκίνησε μετά από αυτή τη φάση ξεκινώντας 400 εκατομμύρια μετά τη μεγάλη έκρηξη.  

Κατά την ουδέτερη εποχή των πρώιμων σύμπαν, όταν ο σύμπαν ήταν γεμάτο με ουδέτερα αέρια και ήταν διαφανές, δεν εκπέμπονταν οπτικό σήμα (εξ ου και ονομάζεται σκοτεινή εποχή). Το ενοποιημένο υλικό δεν εκπέμπει φως. Αυτό θέτει μια πρόκληση στη μελέτη της πρώιμης Σύμπαν ουδέτερης εποχής. Ωστόσο, η ακτινοβολία μικροκυμάτων μήκους κύματος 21 cm (που αντιστοιχεί σε 1420 MHz) που εκπέμπεται από το ψυχρό, ουδέτερο κοσμικό υδρογόνο κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής ως αποτέλεσμα της υπερλεπτής μετάβασης (από το παράλληλο σπιν σε πιο σταθερό αντιπαράλληλο σπιν) προσφέρει ευκαιρίες στους ερευνητές. Αυτή η ακτινοβολία μικροκυμάτων των 21 cm θα μετατοπιστεί στο κόκκινο μόλις φτάσει στη Γη και θα παρατηρηθεί σε συχνότητες 200 MHz έως 10 MHz ως ραδιοκύματα^2,3.  

Ραδιοαστρονομία 21 cm: Η παρατήρηση κοσμικών σημάτων υδρογόνου μήκους 21 εκατοστών προσφέρει μια εναλλακτική προσέγγιση στη μελέτη των πρώιμων σύμπαν ειδικά της φάσης ουδέτερης εποχής που δεν είχε καμία εκπομπή φωτός. Αυτό μπορεί επίσης να μας ενημερώσει για τη νέα φυσική, όπως η κατανομή της ύλης στο χρόνο, η σκοτεινή ενέργεια, η σκοτεινή ύλη, οι μάζες νετρίνων και ο πληθωρισμός².  

Ωστόσο, τα σήματα των 21 cm που εκπέμπονται από το κοσμικό υδρογόνο κατά τη διάρκεια των πρώιμων σύμπαν φάση είναι άπιαστη. Αναμένεται να είναι εξαιρετικά αδύναμο (περίπου εκατό χιλιάδες φορές ασθενέστερο από άλλα ραδιοφωνικά σήματα που προέρχονται επίσης από τον ουρανό). Ως αποτέλεσμα, αυτή η προσέγγιση είναι ακόμη σε βρεφική ηλικία.  

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.  

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 πείραμα 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.  

Αυτή η εξέλιξη είναι σημαντική, δεδομένης της δυνατότητάς της να είναι ένα από τα καλύτερα εργαλεία (και οικονομικά αποδοτικό σε σχέση με αυτό). χώρος-βασισμένα παρατηρητήρια όπως Τζέιμς Γουέμπ) για μελέτη πρώιμων σύμπαν καθώς και δυνατότητα εισαγωγής νέας θεμελιώδης φυσικής.  

*** 

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 

***