Observation of 26 cm radio signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early universum. Wat betreft het neutrale tijdperk van het kind universum when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted radio signals emitted by cosmic hydrogen in the early universum zijn uiterst zwak en tot nu toe ongrijpbaar. In 2018 rapporteerde het EDGE-experiment de detectie van 26 cm-signalen, maar de bevindingen konden niet onafhankelijk worden bevestigd. Het belangrijkste probleem was de instrumentatie en de besmetting met de andere signalen uit de lucht. Het REACH-experiment moet een unieke methodologie gebruiken om het knelpunt te overwinnen. Er wordt gehoopt dat deze onderzoeksgroep deze ongrijpbare signalen in de nabije toekomst op betrouwbare wijze kan detecteren. Als het REACH-experiment succesvol is, kan het de '26 cm-radioastronomie' op de voorgrond brengen in het onderzoek van begin dit jaar universum en ons enorm helpen bij het ontrafelen van de mysteries van vroeger universum.
Als het gaat om de studie van vroeg universum, naam van onlangs gelanceerd James Webb Ruimtetelescoop (JWST) komt in onze gedachten op. JWST, een opvolger van enorm succesvol Hubble telescope, is a ruimte-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Universum kort na de oerknal1. Echter, JWST heeft enige beperking wat betreft het oppikken van signalen uit het neutrale tijdperk van vroeg universum is bezorgd.
Tabel: Tijdperken in de geschiedenis van universum sinds de oerknal
(Bron: Philosophy of Cosmology – 21 cm achtergrond. Verkrijgbaar bij http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)
Tot 380 jaar na de oerknal was de universum was gevuld met geïoniseerd gas en was volledig ondoorzichtig. Tussen 380 en 400 miljoen jaar is de universum neutraal en transparant was geworden. Het tijdperk van reïonisatie begon na deze fase, beginnend met 400 miljoen mensen na de oerknal.
Tijdens het neutrale tijdperk van begin universum, wanneer de universum was gevuld met neutrale gassen en transparant, er werd geen optisch signaal uitgezonden (vandaar dark age genoemd). Unionized materiaal straalt geen licht uit. Dit vormt een uitdaging bij het onderzoek naar vroege Universum van een neutraal tijdperk. Microgolfstraling met een golflengte van 21 cm (overeenkomend met 1420 MHz) die tijdens dit tijdperk door het koude, neutrale kosmische waterstof wordt uitgezonden als gevolg van de hyperfijne overgang (van parallelle spin naar stabielere anti-parallelle spin), biedt onderzoekers echter kansen. Deze microgolfstraling van 21 cm zou bij het bereiken van de aarde roodverschoven worden en zal bij frequenties van 200 MHz tot 10 MHz worden waargenomen als radiogolven2,3.
21 cm radioastronomie: Observatie van kosmische waterstofsignalen van 21 centimeter biedt een alternatieve benadering voor de studie van vroege universum vooral van de neutrale tijdperkfase die verstoken was van enige lichtemissie. Dit kan ons ook informeren over nieuwe natuurkunde, zoals de verdeling van materie in de tijd, donkere energie, donkere materie, neutrinomassa’s en inflatie.2.
De 21 cm-signalen die door het kosmische waterstof worden uitgezonden, zijn echter vroeg universum fase is ongrijpbaar. Er wordt verwacht dat het extreem zwak zal zijn (ongeveer honderdduizend keer zwakker dan andere radiosignalen die ook uit de lucht komen). Hierdoor staat deze aanpak nog in de kinderschoenen.
In 2018 hadden onderzoekers melding gemaakt van de detectie van een dergelijk radiosignaal met een frequentie van 78 MHz, waarvan het profiel grotendeels overeenkwam met de verwachtingen voor het 21 centimeter lange signaal dat wordt uitgezonden door de oer-kosmische waterstof.4. Maar deze detectie van het oorspronkelijke 21-cm radiosignaal kon niet onafhankelijk worden bevestigd, vandaar dat de betrouwbaarheid van het experiment tot nu toe niet kon worden vastgesteld. Het belangrijkste probleem lijkt besmetting met de radiosignalen op de voorgrond te zijn.
De nieuwste mijlpaal is het rapport van Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) op 21 juli 2022. REACH zal een nieuwe experimentele benadering gebruiken om deze zwakke, ongrijpbare kosmische radiosignalen te detecteren en biedt zo nieuwe hoop op bevestiging van kosmische signalen van 21 centimeter.
Het radio-experiment voor de analyse van kosmische waterstof (REACH) is een hemelgemiddeld experiment van 21 cm. Dit heeft tot doel observaties te verbeteren door problemen te beheren waarmee instrumenten worden geconfronteerd die verband houden met resterende systematische signalen in de gegevens. Het richt zich op het detecteren en gezamenlijk verklaren van de systematiek samen met de voorgronden en het kosmologische signaal met behulp van Bayesiaanse statistieken. Het experiment omvat gelijktijdige waarnemingen met twee verschillende antennes, een ultrabreedbandsysteem (roodverschuivingsbereik ongeveer 7.5 tot 28) en een ontvangerkalibrator op basis van metingen in het veld.
This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis ruimte-based observatories like James Webb) voor studie van vroeg universum evenals de mogelijkheid om nieuwe fundamentele fysica in te luiden.
***
Referenties:
- Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): het eerste ruimteobservatorium gewijd aan de studie van het vroege heelal. Wetenschappelijk Europees. Geplaatst op 6 november 2021. Verkrijgbaar bij http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA en Loeb A., 2012. 21 cm kosmologie in de 21e eeuw. Rapporten over voortgang in de natuurkunde 75 086901. Beschikbaar op: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint bij arXiv verkrijgbaar bij https://arxiv.org/abs/1109.6012 pdf-versie https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Oxford universiteit. Filosofie van Kosmologie – 21 cm achtergrond. Verkrijgbaar bij http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Een absorptieprofiel gecentreerd op 78 megahertz in het hemelgemiddelde spectrum. Natuur 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. De REACH-radiometer voor het detecteren van het 21 cm-waterstofsignaal van roodverschuiving z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Onthulling van de mysteries van het baby-universum met de REACH-radiometer. Online verkrijgbaar bij https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
***
