РЕКЛАМА

Изучение ранней Вселенной: эксперимент REACH по обнаружению неуловимой 21-сантиметровой линии космического водорода 

КРАТКИЕ НОВОСТИИзучение ранней Вселенной: эксперимент REACH по обнаружению неуловимой 21-сантиметровой линии космического водорода 

Наблюдение 26-сантиметровых радиосигналов, образованных в результате сверхтонкого перехода космического водорода, предлагает альтернативный инструмент для изучения ранней Вселенной. Что же касается нейтральной эпохи младенческой вселенной, когда свет не излучался, то 26-сантиметровые линии — это, пожалуй, только окно. Однако эти радиосигналы с красным смещением, излучаемые космическим водородом в ранней Вселенной, чрезвычайно слабы и до сих пор неуловимы. В 2018 году эксперимент EDGE сообщил об обнаружении сигналов на расстоянии 26 см, но результаты не могли быть подтверждены независимо. Основная проблема заключалась в систематике приборов и загрязнении другими сигналами с неба. REACH Experiment должен использовать уникальную методологию для преодоления узкого места. Есть надежда, что эта исследовательская группа сможет надежно обнаружить эти неуловимые сигналы в ближайшем будущем. В случае успеха эксперимент REACH может вывести «26-сантиметровую радиоастрономию» на передний план в изучении ранней Вселенной и во многом помочь нам в разгадке тайн ранней Вселенной. 

Когда дело доходит до изучения ранней Вселенной, в голове всплывает название недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). JWST, преемник чрезвычайно успешного телескопа Хаббла, представляет собой космическую инфракрасную обсерваторию, оборудованную для захвата оптических/инфракрасных сигналов от ранних звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной вскоре после Большого взрыва.1. Однако у JWST есть некоторые ограничения в том, что касается приема сигналов из нейтральной эпохи ранней Вселенной.  

Таблица: Эпохи в истории Вселенной с момента Большого Взрыва.  

Время/фаза после Большого взрыва (в годах)  Эпоха Ключевые события/особенности  
0 – 380,000 инфляция  Вселенная заполнена ионизированным газом и полностью непрозрачна  
380,000 400–XNUMX миллионов  Нейтральная эпоха  Вселенная становится нейтральной и прозрачной; свет не излучался, потому что атомы не были ионизированы; Образовались первые звезды и структуры Космический микроволновый фон (CMB), отделившийся от космического газа через 400,000 26 лет после Большого взрыва Холодные, нейтральные космические атомы водорода излучали микроволновое излучение с длиной волны 26 см вследствие сверхтонкого перехода. Смещенная в красную сторону XNUMX-сантиметровая космическая линия водорода, если ее зафиксировать на Земле сейчас, могла бы дать информацию о первом миллиарде лет существования Вселенной, периоде, когда образовались первые звезды и галактики, периоде, который является практически ненаблюдаемой загадкой.  
400 миллионов – 1 миллиард  Эпоха реионизации  Галактики и квазеры начинают формироваться, начинается реионизация  
9 миллиард – XNUMX миллиардов   Реионизация завершена; Непрозрачность 10%, галактики эволюционируют, темная энергия начинает ускорять расширение пространства 
9 млрд   Формы Солнечной системы  
13.8 млрд   Представить  

(Источник: Философия космологии – фон 21 см. Доступно на http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Вплоть до 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена ионизированным газом и была полностью непрозрачной. Между 380 тысячами и 400 миллионами лет Вселенная стала нейтральной и прозрачной. Эпоха реионизации началась после этой фазы, начавшейся через 400 миллионов лет после Большого взрыва.  

В нейтральную эпоху ранней Вселенной, когда Вселенная была заполнена нейтральными газами и была прозрачной, оптический сигнал не излучался (отсюда и название «темный век»). Неионизированный материал не излучает свет. Это ставит задачу изучения ранней Вселенной нейтральной эпохи. Однако микроволновое излучение с длиной волны 21 см (что соответствует частоте 1420 МГц), испускаемое холодным нейтральным космическим водородом в эту эпоху в результате сверхтонкого перехода (от параллельного спина к более стабильному антипараллельному спину), открывает возможности для исследователей. Это 21-сантиметровое микроволновое излучение будет смещено в красную сторону при достижении Земли и будет наблюдаться на частотах от 200 МГц до 10 МГц как радиоволны.2,3.  

21 см радиоастрономия: Наблюдение 21-сантиметровых сигналов космического водорода предлагает альтернативный подход к изучению ранней Вселенной, особенно фазы нейтральной эпохи, лишенной какого-либо светового излучения. Это также может сообщить нам о новой физике, такой как распределение материи во времени, темная энергия, темная материя, массы нейтрино и инфляция.2.  

Однако 21-сантиметровые сигналы, излучаемые космическим водородом на ранней стадии развития Вселенной, неуловимы. Ожидается, что он будет чрезвычайно слабым (примерно в сто тысяч раз слабее, чем другие радиосигналы, также исходящие с неба). В результате этот подход все еще находится в зачаточном состоянии.  

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 водородом.4. Но это обнаружение изначального 21-сантиметрового радиосигнала не могло быть подтверждено независимо, поэтому до сих пор не удалось установить достоверность эксперимента. Основная проблема, по-видимому, заключается в загрязнении радиосигналами переднего плана.  

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) представляет собой усредненный по небу 21-сантиметровый эксперимент. Это направлено на улучшение наблюдений за счет решения проблем, с которыми сталкиваются инструменты, связанные с остаточными систематическими сигналами в данных. Он фокусируется на обнаружении и совместном объяснении систематики вместе с передним планом и космологическим сигналом с использованием байесовской статистики. Эксперимент включает в себя одновременные наблюдения с двумя разными антеннами, сверхширокополосной системой (диапазон красных смещений от 7.5 до 28) и калибратором приемника на основе полевых измерений.  

Эта разработка имеет важное значение, учитывая ее потенциал стать одним из лучших инструментов (и экономически выгодным по сравнению с космическими обсерваториями, такими как Джеймс Уэбб) для изучения ранней Вселенной, а также возможностью открытия новой фундаментальной физики.  

 

Ссылки:  

  1. 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 https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 
  1. 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 
  1. Оксфордский университет. Философия космологии – фон 21 см. Можно купить в http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. 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 
  1. 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  
  1. Элой де Лера Аседо 2022. Раскрытие тайн зарождающейся Вселенной с помощью радиометра REACH. Доступно онлайн по адресу  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

 

Умеш Прасад
Умеш Прасад
Редактор журнала Scientific European

Подписка на рассылку

Быть в курсе всех последних новостей, предложений и специальных объявлений.

- Реклама -

Самые популярные статьи

Thiomargarita magnifica: самая большая бактерия, бросающая вызов идее прокариот 

Thiomargarita magnifica, самые большие бактерии эволюционировали, чтобы приобретать...

Система искусственных сенсорных нервов: благо для протезирования

Исследователи разработали искусственную сенсорную нервную систему, которая...
- Реклама -
97,932Поклонникиподобно
62,768ПодписчикиПодписаться
1,903ПодписчикиПодписаться
31ПодписчикиПодписаться