Studie van die vroeë heelal: REACH-eksperiment om ontwykende 21 cm-lyn van kosmiese waterstof op te spoor 

Waarneming van 26 cm radio seine, gevorm as gevolg van hiperfyn oorgang van kosmiese waterstof bied 'n alternatiewe hulpmiddel vir die studie van vroeë heelal. Wat die neutrale tydperk van die baba betref heelal wanneer geen lig uitgestraal is nie, is 26 cm-lyne dalk net venster. Dié het egter rooi verskuif radio seine uitgestuur deur kosmiese waterstof in die vroeë heelal is uiters swak en was tot dusver ontwykend. In 2018 het EDGE-eksperiment die opsporing van 26 cm-seine aangemeld, maar die bevindings kon nie onafhanklik bevestig word nie. Die hoofkwessie was instrument sistematies en besoedeling met die ander seine uit die lug. Die REACH-eksperiment is om unieke metodologie te gebruik om die bottelnek te oorkom. Daar word gehoop dat hierdie navorsingsgroep in die nabye toekoms hierdie ontwykende seine betroubaar sal kan opspoor. Indien suksesvol, kan REACH-eksperiment '26 cm radio-astronomie' op die voorgrond bring in die studie van vroeë heelal en help ons baie om die verborgenhede van vroeg te ontrafel heelal. 

Wanneer dit kom by die studie van vroeë heelal, naam van onlangs bekendgestel James Webb-ruimteteleskoop (JWST) in ons gedagtes opduik. JWST, 'n opvolger van uiters suksesvolle Hubble teleskoop, is 'n ruimte-gebaseerde, infrarooi sterrewag wat toegerus is om optiese/infrarooi seine van die vroeë sterre en sterrestelsels wat in die Heelal kort na die Oerknal¹. Egter JWST het 'n mate van beperking sover as die optel van seine uit die neutrale tydperk van vroeë heelal is bekommerd.  

Tabel: Tydperke in die geskiedenis van heelal sedert die Oerknal  

(Bron: Philosophy of Cosmology – 21 cm agtergrond. Beskikbaar by http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Tot 380 k jaar na die oerknal het die heelal was gevul met geïoniseerde gas en was heeltemal ondeursigtig. Tussen 380k – 400 miljoen jaar, die heelal neutraal en deursigtig geword het. Die tydperk van herionisasie het begin ná hierdie fase wat 400 miljoen ná die oerknal begin het.  

Gedurende die neutrale tydperk van vroeg heelal, wanneer die heelal was gevul met neutrale gasse en was deursigtig, geen optiese sein is uitgestuur nie (dus genoem donker ouderdom). Uniegemaakte materiaal straal nie lig uit nie. Dit stel 'n uitdaging in die studie van vroeë Heelal van neutrale tydperk. Mikrogolfstraling van 21 cm golflengte (wat ooreenstem met 1420 MHz) wat deur die koue, neutrale kosmiese waterstof gedurende hierdie epog uitgestraal word as gevolg van hiperfyn oorgang (van parallelle spin na meer stabiele anti-parallelle spin) bied egter geleenthede aan navorsers. Hierdie 21 cm mikrogolfstraling sal rooiverskuif word wanneer die Aarde bereik word en sal by 200MHz tot 10 MHz frekwensies as radiogolwe waargeneem word^2,3.  

21 cm radio sterrekunde: Waarneming van 21 sentimeter kosmiese waterstofseine bied 'n alternatiewe benadering tot die studie van vroeë heelal veral van neutrale epogfase wat sonder enige liguitstraling was. Dit kan ons ook inlig oor nuwe fisika soos verspreiding van materie oor tyd, donker energie, donker materie, neutrinomassas en inflasie².  

Die 21-cm seine wat egter deur die kosmiese waterstof tydens vroeë heelal fase is ontwykend. Dit sal na verwagting uiters swak wees (ongeveer honderdduisend keer swakker as ander radioseine wat ook uit die lug kom). Gevolglik is hierdie benadering nog in die kinderskoene.  

In 2018 het navorsers die opsporing van so 'n radiosein teen 'n frekwensie van 78 MHz gerapporteer waarvan die profiel grootliks ooreenstem met verwagtinge vir die 21 sentimeter sein wat deur die oer kosmiese waterstof uitgestraal word.⁴. Maar hierdie opsporing van primordiale 21-cm radiosein kon nie onafhanklik bevestig word nie, daarom kon betroubaarheid van die eksperiment tot dusver nie vasgestel word nie. Die hoofprobleem blyk besoedeling met die voorgrond radioseine te wees.  

Die jongste mylpaal is die verslag van Radio-eksperiment vir die ontleding van kosmiese waterstof (REACH) op 21 Julie 2022. REACH sal nuwe eksperimentele benadering gebruik om hierdie swak ontwykende kosmiese radioseine op te spoor en bied dus 'n nuwe hoop vir bevestiging van 21 sentimeter kosmiese seine.  

Die Radio-eksperiment vir die Analise van Kosmiese Waterstof (REACH) is 'n luggemiddelde 21-cm eksperiment. Dit het ten doel om waarnemings te verbeter deur kwessies te bestuur wat deur instrumente wat verband hou met oorblywende sistematiese seine in die data in die gesig gestaar word. Dit fokus op die opsporing en gesamentlike verduideliking van die sistematiek tesame met die voorgronde en die kosmologiese sein met behulp van Bayesiaanse statistiek. Die eksperiment behels gelyktydige waarnemings met twee verskillende antennas, 'n ultrawyebandstelsel (rooiverskuiwingsreeks ongeveer 7.5 tot 28) en 'n ontvangerkalibreerder gebaseer op in-veldmetings.  

Hierdie ontwikkeling is betekenisvol gegewe sy potensiaal om een ​​van die beste hulpmiddels te wees (en ook koste-effektief ten opsigte van ruimte-gebaseerde sterrewagte soos james webb) vir studie van vroeë heelal sowel as moontlikheid om nuwe fundamentele fisika in te lei.  

*** 

Verwysings:  

1. Prasad U., 2021.James Webb-ruimteteleskoop (JWST): Die eerste ruimtesterrewag gewy aan die studie van die vroeë heelal. Wetenskaplike Europese. Geplaas 6 November 2021. Beskikbaar by 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 en Loeb A., 2012. 21 cm kosmologie in die 21ste eeu. Verslae oor vordering in fisika 75 086901. Beskikbaar by https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Voordruk by arXiv beskikbaar by https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf weergawe  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford Universiteit. Filosofie van Kosmologie – 21 cm agtergrond. Beskikbaar by http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. 'n Absorptieprofiel gesentreer op 78 megahertz in die luggemiddelde spektrum. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Die REACH-radiometer vir die opsporing van die 21-cm waterstofsein vanaf rooiverskuiwing z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Onthulling van die geheimenisse van die baba-heelal met die REACH-radiometer. Aanlyn beskikbaar by  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***