Studie van het vroege heelal: REACH-experiment om de ongrijpbare lijn van 21 cm van kosmische waterstof te detecteren 

Waarneming van 26 cm radio signalen, gevormd als gevolg van de hyperfijne transitie van kosmisch waterstof, bieden een alternatief hulpmiddel voor de studie van vroege universum. Wat betreft het neutrale tijdperk van het kind universum wanneer er geen licht werd uitgestraald, zijn lijnen van 26 cm misschien slechts een venster. Deze zijn echter roodverschoven radio signalen die in het begin door kosmisch waterstof werden uitgezonden 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 telescoop, is een ruimte-gebaseerd infraroodobservatorium dat is uitgerust om optische/infraroodsignalen vast te leggen van de vroege sterren en sterrenstelsels die in de Verenigde Staten zijn gevormd 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 radiogolven^2,3.  

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 te maken krijgen die verband houden met resterende systematische signalen in de gegevens. Het richt zich op het detecteren en gezamenlijk verklaren van de systematiek, de voorgronden en het kosmologische signaal met behulp van Bayesiaanse statistiek. De experiment omvat gelijktijdige waarnemingen met twee verschillende antennes, een ultrabreedbandsysteem (roodverschuivingsbereik ongeveer 7.5 tot 28) en een ontvangerkalibrator gebaseerd op metingen in het veld.  

Deze ontwikkeling is significant gezien het potentieel ervan om een ​​van de beste instrumenten te zijn (en ook nog eens kosteneffectief ten opzichte van de EU). ruimte-gebaseerde observatoria zoals James Webb) voor studie van vroeg universum evenals de mogelijkheid om nieuwe fundamentele fysica in te luiden.  

*** 

Referenties:  

1. 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/

2. 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 

3. Oxford universiteit. Filosofie van Kosmologie – 21 cm achtergrond. Verkrijgbaar bij http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. 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 

5. 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  

6. 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 

***