Observatie van 26 cm radiosignalen, gevormd als gevolg van hyperfijne overgang van kosmische waterstof, biedt een alternatief hulpmiddel voor de studie van het vroege heelal. Wat betreft het neutrale tijdperk van het kinderuniversum toen er geen licht werd uitgestraald, zijn lijnen van 26 cm misschien alleen maar vensters. Deze roodverschoven radiosignalen die door kosmische waterstof in het vroege heelal worden uitgezonden, zijn echter uiterst zwak en tot nu toe ongrijpbaar. In 2018 rapporteerde het EDGE-experiment detectie van signalen van 26 cm, maar de bevindingen konden niet onafhankelijk worden bevestigd. Het belangrijkste probleem was instrumentsystematiek en besmetting met de andere signalen uit de lucht. Het REACH-experiment moet een unieke methode gebruiken om het knelpunt te overwinnen. Het is te hopen dat deze onderzoeksgroep deze ongrijpbare signalen in de nabije toekomst op betrouwbare wijze zal kunnen detecteren. Indien succesvol, kan REACH Experiment '26 cm radioastronomie' naar de voorgrond brengen in de studie van het vroege heelal en ons veel helpen bij het ontrafelen van de mysteries van het vroege heelal.
Als het gaat om de studie van het vroege heelal, komt de naam van de onlangs gelanceerde James Webb Space Telescope (JWST) in ons op. JWST, een opvolger van de enorm succesvolle Hubble-telescoop, is een ruimtegebaseerd infraroodobservatorium dat is uitgerust om optische/infrarode signalen te vangen van de vroege sterren en sterrenstelsels die kort na de oerknal in het heelal zijn gevormd1. JWST heeft echter enige beperking wat betreft het oppikken van signalen uit het neutrale tijdperk van het vroege heelal.
Tabel: Tijdperken in de geschiedenis van het universum sinds de oerknal
| Tijd/fase sinds de oerknal (in jaren) | Tijdperk | Belangrijkste gebeurtenissen/functies |
| 0 - 380,000 | inflatie | Universum gevuld met geïoniseerd gas en volledig ondoorzichtig |
| 380,000 –400 miljoen | Neutraal tijdperk | Universum wordt neutraal en transparant; geen licht uitgestraald omdat atomen niet geïoniseerd waren; De eerste sterren en structuren gevormd Kosmische microgolfachtergrond (CMB) ontkoppeld van het kosmische gas 400,000 jaar na de oerknal Koude, neutrale kosmische waterstofatomen straalden microgolfstraling uit met een golflengte van 26 cm als gevolg van hyperfijne overgang. De roodverschoven kosmische waterstoflijn van 26 cm zou, als ze nu op aarde wordt geplukt, informatie kunnen geven over de eerste miljard jaar van het heelal, een periode waarin de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd, een periode die praktisch een onopgemerkt mysterie is. |
| 400 miljoen – 1 miljard | Tijdperk van reïonisatie | Sterrenstelsels en quasers beginnen zich te vormen beginnende reïonisatie |
| Ik miljard – 9 miljard | Reïonisatie voltooid; 10% dekking, sterrenstelsels evolueren, donkere energie begint de uitbreiding van de ruimte te versnellen | |
| 9 miljard | zonnestelsel vormen | |
| 13.8 miljard | Presenteer |
(Bron: Philosophy of Cosmology – 21 cm achtergrond. Verkrijgbaar bij http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)
Tot 380 k jaar na de oerknal was het heelal gevuld met geïoniseerd gas en volledig ondoorzichtig. Tussen 380k – 400 miljoen jaar was het heelal neutraal en transparant geworden. Het tijdperk van de reïonisatie begon na deze fase vanaf 400 miljoen na de oerknal.
Tijdens het neutrale tijdperk van het vroege heelal, toen het heelal gevuld was met neutrale gassen en transparant was, werd er geen optisch signaal uitgezonden (vandaar donkere leeftijd genoemd). Geüniformeerd materiaal straalt geen licht uit. Dit vormt een uitdaging bij de studie van het vroege heelal van een neutraal tijdperk. Echter, microgolfstraling met een golflengte van 21 cm (overeenkomend met 1420 MHz) die tijdens dit tijdperk door de koude, neutrale kosmische waterstof wordt uitgezonden als gevolg van hyperfijne overgang (van parallelle spin naar stabielere anti-parallelle spin) biedt kansen voor onderzoekers. Deze microgolfstraling van 21 cm zou roodverschoven zijn bij het bereiken van de aarde en zal worden waargenomen bij frequenties van 200 MHz tot 10 MHz als radiogolven2,3.
21 cm radioastronomie: Observatie van 21 centimeter kosmische waterstofsignalen biedt een alternatieve benadering voor de studie van het vroege heelal, vooral van de neutrale tijdperkfase die verstoken was van enige lichtemissie. Dit kan ons ook informeren over nieuwe fysica, zoals de verdeling van materie in de tijd, donkere energie, donkere materie, neutrinomassa's en inflatie2.
De signalen van 21 cm die door de kosmische waterstof worden uitgezonden tijdens de vroege heelalfase zijn echter ongrijpbaar. Het is naar verwachting extreem zwak (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.
Deze ontwikkeling is belangrijk gezien het potentieel om een van de beste instrumenten te zijn (en ook kosteneffectief in vergelijking met op de ruimte gebaseerde observatoria zoals James Webb) voor de studie van het vroege universum en de mogelijkheid om nieuwe fundamentele fysica in te voeren.
***
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 https://www.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
***
