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

Наблюдение 26 см радио сигналы, образующиеся в результате сверхтонкого перехода космического водорода, предлагают альтернативный инструмент изучению ранних вселенная. Что касается нейтральной эпохи младенца вселенная когда свет не излучался, линии шириной 26 см, возможно, были всего лишь окном. Однако эти красные смещения радио сигналы, излучаемые космическим водородом в начале вселенная чрезвычайно слабы и до сих пор неуловимы. В 2018 году эксперимент EDGE сообщил об обнаружении сигналов на длине волны 26 см, но полученные результаты не удалось подтвердить независимо. Основной проблемой была систематика приборов и загрязнение другими сигналами с неба. Целью эксперимента REACH является использование уникальной методологии 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 «радиоастрономию 26 см» на передний план в изучении ранних вселенная и поможет нам в разгадке тайн раннего вселенная. 

Когда дело доходит до изучения ранняя вселенная, название недавно запущенного Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всплывает в нашем сознании. JWST, преемник чрезвычайно успешного Кочка телескоп – это космосеинфракрасная обсерватория, оборудованная для улавливания оптических/инфракрасных сигналов от ранних звезд и галактик, образовавшихся в Вселенная вскоре после Большого взрыва¹. Тем не менее, JWST имеет некоторые ограничения в плане улавливания сигналов нейтральной эпохи ранняя вселенная обеспокоен.  

Таблица: Эпохи в истории вселенная со времен Большого взрыва  

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

Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва вселенная был заполнен ионизированным газом и был полностью непрозрачен. Между 380 тыс. – 400 млн лет назад вселенная стал нейтральным и прозрачным. Эпоха реионизации началась после этой фазы, начавшейся через 400 миллионов лет после Большого взрыва.  

В нейтральную эпоху раннего вселенная, когда вселенная был заполнен нейтральными газами и был прозрачен, оптический сигнал не излучался (отсюда и название «темный век»). Юнионизированный материал не излучает свет. Это создает проблему в изучении раннего Вселенная нейтральной эпохи. Однако микроволновое излучение с длиной волны 21 см (что соответствует 1420 МГц), испускаемое холодным нейтральным космическим водородом в эту эпоху в результате сверхтонкого перехода (от параллельного спина к более стабильному антипараллельному спине), открывает новые возможности для исследователей. Это микроволновое излучение длиной 21 см будет смещаться в красную область при достижении Земли и будет наблюдаться на частотах от 200 до 10 МГц в виде радиоволн.^2,3.  

21 см радиоастрономия: Наблюдение 21-сантиметровых сигналов космического водорода предлагает альтернативный подход к изучению ранних вселенная особенно фазы нейтральной эпохи, лишенной 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 инфляция.².  

Однако сигналы длиной 21 см, излучаемые космическим водородом в ранние вселенная фаза неуловима. Ожидается, что он будет чрезвычайно слабым (примерно в сто тысяч раз слабее других радиосигналов, также исходящих 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) — это усредненный по небу эксперимент на высоте 21 см. Это направлено на улучшение наблюдений за счет решения проблем, с которыми сталкиваются инструменты, связанные с остаточными систематическими сигналами в данных. Он сосредоточен на обнаружении и совместном объяснении систематики вместе с передним планом и космологическим сигналом с использованием байесовской статистики. эксперимент включает одновременные наблюдения с двумя разными антеннами, сверхширокополосной системой (диапазон красного смещения от 7.5 до 28) и калибратором приемника, основанным на полевых измерениях.  

Это развитие имеет важное значение, учитывая его потенциал стать одним из лучших инструментов (и экономически эффективным, по сравнению с другими инструментами). космосеобсерватории, такие как Джеймс Уэбб) для изучения раннего вселенная а также возможность появления 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/

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