Stúdzje fan Early Universe: REACH-eksperimint om ûnbidige 21-sm-line te detektearjen fan Cosmic Hydrogen 

Observaasje fan 26 sm radio sinjalen, foarme troch hyperfine oergong fan kosmyske wetterstof biede in alternatyf helpmiddel foar de stúdzje fan betiid hielal. As foar neutraal tiidrek fan it bern hielal doe't gjin ljocht waard útbrocht, 26 sm linen binne faaks allinnich finster. Lykwols, dizze redshifted radio sinjalen útstjoerd troch kosmyske wetterstof yn 'e iere hielal binne ekstreem swak en binne oant no ta ûngrypber west. Yn 2018 rapportearre EDGE-eksperimint deteksje fan 26 sm-sinjalen, mar de befinings koenen net ûnôfhinklik wurde befêstige. It wichtichste probleem wie ynstrumint systematysk en fersmoarging mei de oare sinjalen út 'e himel. It REACH-eksperimint is om unike metodyk te brûken om it knelpunt te oerwinnen. It wurdt hope dat dizze ûndersyksgroep dizze ûngrypbere sinjalen yn 'e heine takomst betrouber kin ûntdekke. As suksesfol, kin REACH-eksperimint '26 sm radioastronomy' op 'e foargrûn bringe yn' e stúdzje fan iere hielal en help ús in protte by it unraveling fan 'e mystearjes fan iere hielal. 

As it giet om de stúdzje fan betiid universum, namme fan koartlyn lansearre James Webb Space Telescope (JWST) opdûkt yn ús tinzen. JWST, in opfolger fan enorm súksesfol Hubble teleskoop, is a rûmte-basearre, ynfraread observatoarium útrist om optyske / ynfraread sinjalen te fangen fan 'e iere stjerren en stjerrestelsels foarme yn' e Hielal koart nei de oerknal¹. Lykwols, JWST hat wat beheining sa fier as it opheljen fan sinjalen út de neutrale tiidrek fan betiid universum is besoarge.  

Tabel: Epochen yn 'e skiednis fan hielal sûnt de Oerknal  

(Boarne: Philosophy of Cosmology - 21 sm eftergrûn. Beskikber by http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Oant 380 k jier nei de oerknal, de hielal wie fol mei ionisearre gas en wie folslein ûntrochsichtich. Tusken 380k - 400 miljoen jier, de hielal wie neutraal en transparant wurden. It tiidrek fan reionisaasje begon nei dizze faze fan 400 miljoen nei de oerknal.  

Yn it neutrale tiidrek fan iere hielal, doe't de hielal waard fol mei neutrale gassen en wie transparant, gjin optysk sinjaal waard útstjoerd (dêrfandinne neamd tsjustere leeftyd). Unionized materiaal emit gjin ljocht. Dit stelt in útdaging yn 'e stúdzje fan iere Hielal fan neutraal tiidrek. Lykwols, magnetron strieling fan 21 sm golflingte (oerienkommende mei 1420 MHz) útstjoerd troch de kâlde, neutrale kosmyske wetterstof yn dit tiidrek as gefolch fan hyperfine oergong (fan parallel spin nei stabiler anty-parallel spin) biedt kânsen oan ûndersikers. Dizze 21 sm mikrogolfstrieling soe redshifted wurde by it berikken fan de ierde en sil wurde waarnommen op 200MHz oant 10 MHz frekwinsjes as radioweagen^2,3.  

21 cm radioastronomy: Observaasje fan 21-sintimeter kosmyske wetterstof sinjalen biedt in alternative oanpak foar de stúdzje fan iere hielal benammen fan neutraal tiidrek faze dat wie sûnder fan eltse ljocht útstjit. Dit kin ús ek ynformearje oer nije natuerkunde, lykas ferdieling fan matearje oer de tiid, tsjustere enerzjy, tsjustere matearje, neutrino-massa's en ynflaasje².  

Lykwols, de sinjalen fan 21 sm útstjoerd troch de kosmyske wetterstof yn 'e iere hielal faze is ûnmooglik. It wurdt ferwachte dat it ekstreem swak is (sawat hûnderttûzen kear swakker as oare radiosinjalen dy't ek út 'e loft komme). As gefolch, dizze oanpak is noch yn 'e berneskuon.  

Yn 2018 hienen ûndersikers deteksje rapportearre fan sa'n radiosinjaal op in frekwinsje fan 78 MHz, waans profyl foar it grutste part konsistint wie mei ferwachtingen foar it 21-sintimeter-sinjaal útstjitten troch de primordiale kosmyske wetterstof⁴. Mar dizze deteksje fan primordiaal 21-sm radiosinjaal koe net ûnôfhinklik wurde befêstige, dêrom koe de betrouberens fan it eksperimint oant no ta net fêststeld wurde. It wichtichste probleem liket fersmoarging te wêzen mei de radiosinjalen foar de foargrûn.  

De lêste mylpeal is rapport fan Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) op 21 july 2022. REACH sil in nije eksperimintele oanpak brûke om dizze swakke ûntwykende kosmyske radiosinjalen te ûntdekken, dus biede in nije hope foar befêstiging fan 21-sintimeter kosmyske sinjalen.  

It radio-eksperimint foar de analyze fan kosmyske wetterstof (REACH) is in loftgemiddelde eksperimint fan 21 sm. Dit hat as doel om observaasjes te ferbetterjen troch problemen te behearjen dy't konfrontearre wurde troch ynstruminten yn ferbân mei residuele systematyske sinjalen yn 'e gegevens. It rjochtet him op it opspoaren en mienskiplik ferklearjen fan de systematyk tegearre mei de foargrûnen en it kosmologyske sinjaal mei Bayesianske statistiken. De eksperimint giet it om simultane waarnimmings mei twa ferskillende antennes, in ultra-widebân systeem (redshift berik oer 7.5 oan 28) en in ûntfanger calibrator basearre op in-fjild mjittingen.  

Dizze ûntwikkeling is wichtich sjoen it potensjeel om ien fan 'e bêste ark te wêzen (en ek kosten-effektyf vis-a-vis rûmte-basearre observatoria lykas james webb) foar stúdzje fan betiid hielal en ek de mooglikheid om nije fûnemintele natuerkunde yn te fieren.  

*** 

Referinsjes:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): It earste romteobservatoarium wijd oan 'e stúdzje fan it iere universum. Wittenskiplik Europeesk. Pleatst 6. novimber 2021. Beskikber by http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/

2. Pritchard JA en Loeb A., 2012. 21 sm kosmology yn 'e 21e ieu. Ferslaggen oer foarútgong yn natuerkunde 75 086901. Beskikber by https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint by arXiv beskikber by https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf ferzje  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford University. Filosofy fan kosmology - 21 sm eftergrûn. Beskikber by http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R., et al. In absorptionprofyl sintraal op 78 megahertz yn it sky-gemiddelde spektrum. Natuer 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. De REACH-radiometer foar it opspoaren fan it 21-cm wetterstofsinjaal fan redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. De mystearjes fan it berne-universum ûntbleate mei de REACH-radiometer. Beskikber online at  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***