De waarneming van 26 cm radiosignalen , die ontstaan door hyperfijne overgangen van kosmisch waterstof, biedt een alternatief instrument voor de studie van het vroege heelal . In het neutrale tijdperk van het jonge heelal , toen er nog geen licht werd uitgezonden, vormen de 26 cm-lijnen wellicht het enige venster op de waarneming. Deze roodverschoven radiosignalen , uitgezonden door kosmisch waterstof in het vroege heelal , zijn echter extreem zwak en tot nu toe moeilijk te detecteren. In 2018 rapporteerde het EDGE-experiment de detectie van 26 cm-signalen, maar deze bevindingen konden niet onafhankelijk worden bevestigd. Het belangrijkste probleem was de systematische aard van het instrument en de interferentie met andere signalen uit de ruimte. Het REACH-experiment zal een unieke methodologie gebruiken om dit knelpunt te overwinnen. De hoop is dat deze onderzoeksgroep deze ongrijpbare signalen in de nabije toekomst betrouwbaar zal kunnen detecteren. Indien succesvol, kan het REACH-experiment '26 cm radioastronomie' op de voorgrond plaatsen in de studie van het vroege heelal en ons aanzienlijk 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 recent gelanceerde James Webb Space Telescope (JWST) al snel in ons op. De JWST , een opvolger van de enorm succesvolle Hubble -telescoop, is een in de ruimte geplaatst infraroodobservatorium dat is uitgerust om optische/infraroodsignalen op te vangen van de vroege sterren en sterrenstelsels die kort na de oerknal in het heelal zijn ontstaan.<sup> 1 </sup> De JWST heeft echter enkele beperkingen als het gaat om het opvangen van signalen uit het neutrale tijdperk van het vroege heelal.
Tabel: Tijdperken in de geschiedenis van het universum sinds de oerknal
(Bron: Filosofie van de kosmologie – achtergrond van 21 cm. Beschikbaar op http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
Tot 380 jaar na de oerknal was het universum gevuld met geïoniseerd gas en volledig ondoorzichtig. Tussen 380 en 400 miljoen jaar geleden werd het universum neutraal en transparant. Het tijdperk van reionisatie begon na deze fase, zo'n 400 miljoen jaar 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 de naam donkere tijd). Niet-geïoniseerd materiaal zendt geen licht uit. Dit vormt een uitdaging voor de studie van het vroege heelal tijdens het neutrale tijdperk. De microgolfstraling met een golflengte van 21 cm (overeenkomend met 1420 MHz), uitgezonden door het koude, neutrale kosmische waterstof tijdens dit tijdperk als gevolg van hyperfijne overgangen (van parallelle spin naar de stabielere antiparallelle spin), biedt echter mogelijkheden voor onderzoekers. Deze microgolfstraling van 21 cm zal roodverschoven zijn bij het bereiken van de aarde en zal worden waargenomen op frequenties van 200 MHz tot 10 MHz als radiogolven 2,3.
21 cm radioastronomie: De waarneming van kosmische waterstofsignalen op 21 centimeter biedt een alternatieve benadering voor de studie van het vroege heelal , met name de neutrale fase waarin geen lichtemissie plaatsvond. Dit kan ons ook inzicht geven in nieuwe natuurkunde, zoals de verdeling van materie in de tijd, donkere energie, donkere materie, neutrinomassa's en inflatie².
De 21-cm signalen die door kosmische waterstof in de vroege fase van het heelal worden uitgezonden , zijn echter moeilijk waar te nemen. Naar verwachting zijn ze extreem zwak (ongeveer honderdduizend keer zwakker dan andere radiosignalen die ook uit de ruimte komen). Daardoor bevindt deze benadering zich nog in een beginstadium.
In 2018 meldden onderzoekers de detectie van een dergelijk radiosignaal op een frequentie van 78 MHz, waarvan het profiel grotendeels overeenkwam met de verwachtingen voor het 21-cm-signaal dat wordt uitgezonden door het oeroude kosmische waterstof⁴ . Deze detectie van het oeroude 21-cm-radiosignaal kon echter niet onafhankelijk worden bevestigd, waardoor de betrouwbaarheid van het experiment tot nu toe niet kon worden vastgesteld. Het belangrijkste probleem lijkt de verstoring door voorgrondradiosignalen 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 for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) is een experiment met een gemiddelde van de hemelstraling op 21 cm. Het doel is om de waarnemingen te verbeteren door problemen aan te pakken die zich voordoen bij instrumenten die te maken hebben met resterende systematische signalen in de data. Het experiment richt zich op het detecteren en gezamenlijk verklaren van de systematische fouten, samen met de voorgrondsignalen en het kosmologische signaal, met behulp van Bayesiaanse statistiek. Het experiment omvat gelijktijdige waarnemingen met twee verschillende antennes: een ultrabreedbandsysteem (roodverschuivingsbereik van ongeveer 7.5 tot 28) en een ontvangerkalibrator gebaseerd op metingen in het veld.
Deze ontwikkeling is significant gezien het potentieel om een van de beste instrumenten te worden (en bovendien kosteneffectief in vergelijking met ruimteobservatoria zoals James Webb ) voor de studie van het vroege heelal , en de mogelijkheid om nieuwe fundamentele natuurkunde te ontsluiten.
***
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
***
