Наблюдение радиосигналов на длине волны 26 см , образующихся в результате сверхтонкого перехода космического водорода, предлагает альтернативный инструмент для изучения ранней Вселенной . В эпоху нейтральности молодой Вселенной , когда свет не излучался, линии 26 см, возможно, представляли собой лишь окно в эту область. Однако эти смещенные в красную сторону радиосигналы , излучаемые космическим водородом в ранней Вселенной , чрезвычайно слабы и до сих пор оставались неуловимыми. В 2018 году эксперимент EDGE сообщил об обнаружении сигналов на длине волны 26 см, но эти результаты не удалось независимо подтвердить. Основной проблемой была систематическая ошибка прибора и загрязнение другими сигналами с неба. Эксперимент REACH призван использовать уникальную методологию для преодоления этого узкого места. Есть надежда, что эта исследовательская группа сможет надежно обнаруживать эти неуловимые сигналы в ближайшем будущем. В случае успеха эксперимент REACH может вывести «радиоастрономию на длине волны 26 см» на передний план в изучении ранней Вселенной и значительно помочь нам в разгадывании тайн ранней Вселенной.
Когда речь заходит об изучении ранней Вселенной , на ум сразу приходит недавно запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) . JWST , преемник чрезвычайно успешного телескопа Хаббл , — это космическая инфракрасная обсерватория, оснащенная для регистрации оптических/инфракрасных сигналов от ранних звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной вскоре после Большого взрыва¹ . Однако у JWST есть некоторые ограничения в отношении регистрации сигналов из нейтральной эпохи ранней Вселенной.
Таблица: Эпохи в истории Вселенной со времен Большого взрыва
(Источник: Философия космологии – фон 21 см. Доступно по адресу http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
В течение 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена ионизированным газом и полностью непрозрачна. В период от 380 тысяч до 400 миллионов лет Вселенная стала нейтральной и прозрачной. Эпоха реионизации началась после этой фазы, примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва.
В эпоху нейтральности ранней Вселенной , когда Вселенная была заполнена нейтральными газами и была прозрачной, оптический сигнал не излучался (поэтому её называют тёмным веком). Неионизированный материал не излучает свет. Это создаёт трудности при изучении ранней Вселенной в эпоху нейтральности. Однако микроволновое излучение с длиной волны 21 см (соответствующее 1420 МГц), испускаемое холодным нейтральным космическим водородом в эту эпоху в результате сверхтонкого перехода (от параллельного спина к более стабильному антипараллельному спину), открывает новые возможности для исследователей. Это микроволновое излучение с длиной волны 21 см будет смещено в красную сторону спектра при достижении Земли и будет наблюдаться на частотах от 200 МГц до 10 МГц в виде радиоволн², ³.
Радиоастрономия на длине волны 21 см: Наблюдение сигналов космического водорода на длине волны 21 сантиметр предлагает альтернативный подход к изучению ранней Вселенной , особенно фазы нейтральной эпохи, которая была лишена какого-либо светового излучения. Это также может дать нам информацию о новой физике, такой как распределение материи во времени, темная энергия, темная материя, массы нейтрино и инфляция².
Однако сигналы на длине волны 21 см, излучаемые космическим водородом на ранних стадиях развития Вселенной , остаются неуловимыми. Ожидается, что они будут чрезвычайно слабыми (примерно в сто тысяч раз слабее других радиосигналов, также исходящих из космоса). В результате этот подход находится пока на начальной стадии развития.
В 2018 году исследователи сообщили об обнаружении такого радиосигнала на частоте 78 МГц, профиль которого в значительной степени соответствовал ожиданиям для 21-сантиметрового сигнала, излучаемого первичным космическим водородом⁴ . Однако это обнаружение первичного 21-сантиметрового радиосигнала не удалось независимо подтвердить, поэтому надежность эксперимента пока не установлена. Основная проблема, по-видимому, заключается в загрязнении фоновыми радиосигналами.
Последней вехой стал отчет о радиоэксперименте по анализу космического водорода (REACH) от 21 июля 2022 года. REACH будет использовать новый экспериментальный подход для обнаружения этих слабых неуловимых космических радиосигналов, что даст новую надежду на подтверждение 21-сантиметровых космических сигналов.
Радиоэксперимент по анализу космического водорода (REACH) — это эксперимент по усреднению по небу излучения на длине волны 21 см. Его цель — улучшить наблюдения за счет решения проблем, связанных с остаточными систематическими сигналами в данных, с которыми сталкиваются приборы. Эксперимент фокусируется на обнаружении и совместном объяснении систематических ошибок вместе с фоновыми излучениями и космологическим сигналом с использованием байесовской статистики. Эксперимент включает одновременные наблюдения с использованием двух разных антенн, сверхширокополосной системы (диапазон красных смещений от 7.5 до 28) и калибратора приемника, основанного на измерениях в полевых условиях.
Это событие имеет важное значение, учитывая его потенциал стать одним из лучших инструментов (и к тому же экономически эффективным по сравнению с космическими обсерваториями, такими как обсерватория Джеймса Уэбба ) для изучения ранней Вселенной , а также возможность открытия новых фундаментальных физических явлений.
Ссылки:
- Прасад У., 2021. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST): первая космическая обсерватория, предназначенная для изучения ранней Вселенной. Научный европейский. Опубликовано 6 ноября 2021 г. Доступно по адресу http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Притчард Дж. А. и Леб А., 2012. Космология 21 см в 21 веке. Reports on Progress in Physics 75 086901. Доступно по адресу https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Препринт на arXiv доступен по адресу https://arxiv.org/abs/1109.6012 PDF версия https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Оксфордский университет. Философия космологии – фон 21 см. Можно купить в http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Боуман Дж., Роджерс А., Монсальв Р. и соавт. Профиль поглощения с центром на частоте 78 мегагерц в среднем по небу спектре. Природа 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- де Лера Аседо, Э., де Вильерс, ДИЛ, Разави-Годс, Н. и соавт. Радиометр REACH для регистрации 21-сантиметрового сигнала водорода с красным смещением z ≈ 7.5–28. Нат Астрон (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Элой де Лера Аседо 2022. Раскрытие тайн зарождающейся Вселенной с помощью радиометра REACH. Доступно онлайн по адресу https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
