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

Observation of 26 cm radio signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early вселенная. As for neutral epoch of the infant вселенная when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted radio signals emitted by cosmic hydrogen in the early вселенная are extremely feeble and have been elusive so far. In 2018, EDGE experiment reported detection of 26 cm signals but the findings could not be independently confirmed. The main issue was instrument systematic and contamination with the other signals from the sky. The REACH Experiment is to employ unique methodology to overcome the bottleneck. It is hoped that this research group will reliably be able to detect these elusive signals in near future. If successful, REACH Experiment may bring ‘26 cm radio astronomy’ to the forefront in the study of early вселенная and help us much in unravelling the mysteries of early вселенная. 

Когда дело доходит до изучения ранняя вселенная, название недавно запущенного Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful Кочка telescope, is a space-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Вселенная soon after the Big Bang¹. Тем не менее, JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of ранняя вселенная обеспокоен.  

Table: Epochs in the history of вселенная since the Big Bang  

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

Up to 380 k years after the big bang, the вселенная was filled with ionised gas and was fully opaque. Between 380k – 400 million years, the вселенная had become neutral and transparent. The epoch of reionisation started after this phase starting 400 million after the big bang.  

During the neutral epoch of early вселенная, когда вселенная was filled with neutral gases and was transparent, no optical signal was emitted (hence called dark age). Unionized material does not emit light. This poses a challenge in study of early Вселенная of neutral epoch. However, microwave radiation of 21 cm wavelength (corresponding to 1420 MHz) emitted by the cold, neutral cosmic hydrogen during this epoch as a result of hyperfine transition (from parallel spin to more stable anti-parallel spin) offers opportunities to researchers. This 21 cm microwave radiation would be redshifted upon reaching Earth and will be observed at 200MHz to 10 MHz frequencies as radio waves^2,3.  

21 см радиоастрономия: Observation of 21-centimeter cosmic hydrogen signals offers an alternative approach to the study of early вселенная especially of neutral epoch phase that was devoid of any light emission. This can also inform us about new physics such as distribution of matter over time, dark energy, dark matter, neutrino masses, and inflation².  

However, the 21-cm signals emitted by the cosmic hydrogen during early вселенная phase is elusive. It is expected to be extremely weak (about one hundred thousand times weaker than other radio signals also emanating from the sky). As a result, this approach is still in infancy.  

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.  

This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis space-based observatories like Джеймс Уэбб) for study of early вселенная as well as possibility of ushering in of new fundamental physics.  

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 http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 

2. 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 

3. Оксфордский университет. Философия космологии – фон 21 см. Можно купить в http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. 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 

5. 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  

6. Элой де Лера Аседо 2022. Раскрытие тайн зарождающейся Вселенной с помощью радиометра REACH. Доступно онлайн по адресу  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u