Studie av tidigt universum: REACH-experiment för att upptäcka svårfångade 21-cm linje från Cosmic Hydrogen 

Observation av 26 cm radio signaler, som bildas på grund av hyperfin övergång av kosmiskt väte erbjuder ett alternativt verktyg för att studera tidigt universum. När det gäller den neutrala epok av spädbarnet universum när inget ljus sänds ut är 26 cm linjer kanske bara fönster. Dessa rödskiftade dock radio signaler som sänds ut av kosmiskt väte i början universum är extremt svaga och har varit svårfångade hittills. Under 2018 rapporterade EDGE-experimentet upptäckt av 26 cm-signaler men resultaten kunde inte bekräftas oberoende. Huvudfrågan var instrumentsystematik och kontaminering med andra signaler från himlen. REACH-experimentet är att använda unik metodik för att övervinna flaskhalsen. Förhoppningen är att denna forskargrupp på ett tillförlitligt sätt ska kunna upptäcka dessa svårfångade signaler inom en snar framtid. Om det lyckas kan REACH-experimentet ta "26 cm radioastronomi" i framkant i studien av tidiga universum och hjälpa oss mycket att reda ut mysterierna från tidiga dagar universum. 

När det gäller studiet av tidiga universum, namn på nyligen lanserade James Webb rymdteleskop (JWST) dyker upp i vårt sinne. JWST, en efterträdare till enormt framgångsrika Hubble teleskop, är en plats-baserat, infrarött observatorium utrustat för att fånga optiska/infraröda signaler från de tidiga stjärnorna och galaxerna som bildades i Universum strax efter Big Bang¹. Emellertid JWST har en viss begränsning så långt som att plocka upp signaler från den neutrala epok av tidiga universum är bekymrad.  

Tabell: Epoker i historien om universum sedan Big Bang  

(Källa: Philosophy of Cosmology – 21 cm bakgrund. Finns på http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Upp till 380 k år efter den stora smällen universum var fylld med joniserad gas och var helt ogenomskinlig. Mellan 380k – 400 miljoner år, den universum hade blivit neutral och transparent. Återjoniseringens epok började efter den här fasen och började 400 miljoner efter den stora smällen.  

Under den tidiga neutrala epok universum, när universum var fylld med neutrala gaser och var transparent, ingen optisk signal sänds ut (därav kallad mörk ålder). Fackligt material avger inte ljus. Detta utgör en utmaning vid studier av tidiga Universum av neutral epok. Mikrovågsstrålning på 21 cm våglängd (motsvarande 1420 MHz) som sänds ut av det kalla, neutrala kosmiska vätet under denna epok som ett resultat av hyperfin övergång (från parallellspinn till mer stabil antiparallell spinn) erbjuder dock möjligheter för forskare. Denna 21 cm mikrovågsstrålning skulle rödförskjutas när den når jorden och kommer att observeras vid 200MHz till 10 MHz frekvenser som radiovågor^2,3.  

21 cm radioastronomi: Observation av 21-centimeters kosmiska vätesignaler erbjuder ett alternativt tillvägagångssätt för att studera tidiga universum speciellt av neutral epokfas som saknade all ljusemission. Detta kan också informera oss om ny fysik som fördelning av materia över tid, mörk energi, mörk materia, neutrinomassor och inflation².  

Men de 21-cm signaler som sänds ut av det kosmiska vätet under tidigt universum fasen är svårfångad. Den förväntas vara extremt svag (ungefär hundra tusen gånger svagare än andra radiosignaler som också kommer från himlen). Som ett resultat är detta tillvägagångssätt fortfarande i sin linda.  

Under 2018 hade forskare rapporterat detektering av en sådan radiosignal vid en frekvens på 78 MHz vars profil i stort sett överensstämde med förväntningarna på den 21-centimeterssignal som sänds ut av det ursprungliga kosmiska vätet⁴. Men denna detektering av primordial 21-cm radiosignal kunde inte bekräftas oberoende, varför tillförlitligheten av experimentet inte kunde fastställas hittills. Huvudfrågan verkar vara kontaminering av radiosignalerna i förgrunden.  

Den senaste milstolpen är rapporten från Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) den 21 juli 2022. REACH kommer att använda en ny experimentell metod för att detektera dessa svaga svårfångade kosmiska radiosignaler, vilket ger ett nytt hopp om bekräftelse av 21-centimeters kosmiska signaler.  

Radioexperimentet för analys av kosmiskt väte (REACH) är ett experiment på 21 cm i himlen. Detta syftar till att förbättra observationerna genom att hantera frågor som instrument relaterade till kvarvarande systematiska signaler i data står inför. Den fokuserar på att upptäcka och gemensamt förklara systematiken tillsammans med förgrunderna och den kosmologiska signalen med hjälp av Bayesiansk statistik. Experimentet involverar samtidiga observationer med två olika antenner, ett ultrabredbandssystem (rödförskjutningsområde cirka 7.5 till 28) och en mottagarkalibrator baserad på mätningar i fält.  

Denna utveckling är betydande med tanke på dess potential att vara ett av de bästa verktygen (och kostnadseffektivt också gentemot plats-baserade observatorier som james webb) för studier av tidigt universum samt möjlighet att inleda ny grundläggande fysik.  

*** 

Referenser:  

1. Prasad U., 2021. James Webb rymdteleskop (JWST): Det första rymdobservatoriet dedikerat till studiet av det tidiga universum. Vetenskaplig europeisk. Upplagt 6 november 2021. Tillgänglig på 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 och Loeb A., 2012. 21 cm kosmologi under 21-talet. Reports on progress in Physics 75 086901. Tillgänglig på https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Förtryck på arXiv finns på https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf-version  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford universitet. Kosmologins filosofi – 21 cm bakgrund. Tillgänglig på http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. En absorptionsprofil centrerad på 78 megahertz i det himmelsgenomsnittliga spektrumet. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. REACH-radiometern för att detektera 21-cm vätesignalen från rödförskjutning z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Avslöjar spädbarnsuniversums mysterier med REACH-radiometern. Finns online på  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***