Дослідження раннього Всесвіту: експеримент REACH для виявлення невловимої 21-сантиметрової лінії від космічного водню 

Observation of 26 cm радіо signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early всесвіт. Щодо нейтральної епохи немовляти всесвіт when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted радіо signals emitted by cosmic hydrogen in the early всесвіт надзвичайно слабкі і досі невловимі. У 2018 році експеримент EDGE повідомив про виявлення 26-сантиметрових сигналів, але результати не вдалося підтвердити незалежно. Основною проблемою була систематичність приладів і забруднення іншими сигналами з неба. Експеримент REACH передбачає використання унікальної методології для подолання вузького місця. Є надія, що ця дослідницька група зможе надійно виявити ці невловимі сигнали найближчим часом. У разі успіху експеримент REACH може вивести «радіоастрономію 26 см» на перший план у вивченні ранніх всесвіт і дуже допомагають нам у розгадці таємниць раннього часу всесвіт. 

Коли мова йде про вивчення ранній Всесвіт, назва нещодавно запущеного Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful Купина telescope, is a простір-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Всесвіт незабаром після Великого вибуху¹. Однак JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of ранній Всесвіт Занепокоєний.  

Таблиця: Епохи в історії с всесвіт з часів Великого вибуху  

(Джерело: Філософія космології – фон 21 см. Доступно за адресою http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Через 380 тисяч років після Великого вибуху всесвіт був наповнений іонізованим газом і був повністю непрозорим. Між 380k – 400 мільйонами років всесвіт став нейтральним і прозорим. Епоха реіонізації почалася після цієї фази, починаючи з 400 мільйонів років після Великого вибуху.  

Протягом нейтральної епохи поч всесвіт, коли всесвіт був наповнений нейтральними газами і був прозорим, оптичний сигнал не випромінювався (тому його називають темним віком). Спійчастий матеріал не випромінює світла. Це створює проблему для вивчення ранніх Всесвіт нейтральної епохи. Проте мікрохвильове випромінювання з довжиною хвилі 21 см (що відповідає 1420 МГц), випромінюване холодним, нейтральним космічним воднем протягом цієї епохи в результаті надтонкого переходу (від паралельного обертання до більш стабільного антипаралельного спіну), відкриває можливості для дослідників. Це 21-сантиметрове мікрохвильове випромінювання буде зміщене в червоний колір після досягнення Землі та спостерігатиметься на частотах від 200 МГц до 10 МГц як радіохвилі.^2,3.  

21 см радіоастрономія: Спостереження 21-сантиметрових космічних сигналів водню пропонує альтернативний підхід до вивчення ранніх всесвіт особливо фази нейтральної епохи, яка була позбавлена ​​будь-якого випромінювання світла. Це також може інформувати нас про нову фізику, таку як розподіл матерії в часі, темна енергія, темна матерія, маси нейтрино та інфляція².  

Однак 21-см сигнали, випромінювані космічним воднем під час рано всесвіт фаза невловима. Очікується, що він буде надзвичайно слабким (приблизно в сто тисяч разів слабшим за інші радіосигнали, які також надходять із неба). Як наслідок, цей підхід ще знаходиться в зародковому стані.  

У 2018 році дослідники повідомили про виявлення такого радіосигналу на частоті 78 МГц, профіль якого значною мірою відповідав очікуванням щодо 21-сантиметрового сигналу, випромінюваного первісним космічним воднем.⁴. Але це виявлення початкового 21-сантиметрового радіосигналу не може бути незалежно підтверджено, отже, надійність експерименту досі не може бути встановлена. Головною проблемою, здається, є забруднення радіосигналами переднього плану.  

Останньою віхою став звіт про радіоексперимент для аналізу космічного водню (REACH) 21 липня 2022 року. REACH використовуватиме новий експериментальний підхід для виявлення цих слабких невловимих космічних радіосигналів, що дає нову надію на підтвердження 21-сантиметрових космічних сигналів.  

Радіоексперимент для аналізу космічного водню (REACH) — це експеримент із середнім 21-сантиметровим діапазоном неба. Це спрямовано на покращення спостережень шляхом вирішення проблем, з якими стикаються інструменти, пов’язані із залишковими систематичними сигналами в даних. Він зосереджений на виявленні та спільному поясненні систематики разом із переднім планом і космологічним сигналом за допомогою статистики Байєса. Експеримент передбачає одночасне спостереження з двома різними антенами, надширокосмуговою системою (діапазон червоного зсуву приблизно від 7.5 до 28) і калібратором приймача на основі вимірювань у польових умовах.  

This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis простір-based observatories like Джеймс Вебб) for study of early всесвіт а також можливість започаткування нової фундаментальної фізики.  

*** 

Список використаної літератури:  

1. Прасад У., 2021. Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST): перша космічна обсерваторія, присвячена вивченню раннього Всесвіту. Науковий європейський. Опубліковано 6 листопада 2021 р. Доступно за адресою http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 

2. Прітчард Дж. А. та Леб А., 2012. 21 см космологія в 21 столітті. Звіти про прогрес у фізиці 75 086901. Доступно за адресою https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Препринт на arXiv доступний на https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf версія  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Оксфордський університет. Філософія космології – фон 21 см. Доступний на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Боумен Дж., Роджерс А., Монсалве Р. та ін. Профіль поглинання з центром на частоті 78 мегагерц у середньому по небу спектрі. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. де Лера Аседо, Е., де Вільєрс, ДІЛ, Разаві-Годс, Н. та ін. Радіометр REACH для виявлення 21-см сигналу водню від червоного зсуву z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Елой де Лера Аседо 2022. Відкриття таємниць дитячого Всесвіту за допомогою радіометра REACH. Доступно онлайн за адресою  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***