Rannsókn á snemma alheimi: REACH tilraun til að greina 21 cm línu frá Cosmic Hydrogen 

Athugun 26 cm útvarp merki, sem myndast vegna offínar umbreytingar geimvetnis bjóða upp á annað tól til að rannsaka snemma alheimurinn. Eins og fyrir hlutlaust tímabil ungbarnsins alheimurinn þegar ekkert ljós kom frá sér eru 26 cm línur kannski aðeins gluggi. Þessir rauðviknuðu hins vegar útvarp merki frá geimvetni í upphafi alheimurinn eru ákaflega veikburða og hafa verið haldgóð hingað til. Árið 2018, EDGE tilraun greindi frá greiningu á 26 cm merkjum en ekki var hægt að staðfesta niðurstöðurnar sjálfstætt. Aðalmálið var kerfisbundið tæki og mengun með öðrum merkjum frá himni. REACH tilraunin er að nota einstaka aðferðafræði til að sigrast á flöskuhálsinum. Vonast er til að þessi rannsóknarhópur muni á áreiðanlegan hátt geta greint þessi fimmtugu merki í náinni framtíð. Ef vel tekst til gæti REACH tilraun komið „26 cm útvarpsstjörnufræði“ í fremstu röð í rannsóknum á snemma alheimurinn og hjálpa okkur mikið við að afhjúpa leyndardóma snemma alheimurinn. 

Þegar kemur að rannsókn á snemma alheimsins, nafn nýlega hleypt af stokkunum James Webb geimsjónauki (JWST) kemur upp í huga okkar. JWST, arftaki afar farsæls Hubble sjónauki, er a pláss-byggð, innrauð stjörnustöð búin til að fanga sjón/innrauð merki frá fyrstu stjörnum og vetrarbrautum sem mynduðust í Universe fljótlega eftir Miklahvell¹. Hins vegar, JWST hefur einhverja takmörkun svo langt sem að taka upp merki frá hlutlausu tímabili snemma alheimsins er áhyggjufullur.  

Tafla: Tímaskeið í sögu alheimurinn frá Miklahvell  

(Heimild: Heimspeki heimspeki – 21 cm bakgrunnur. Fæst á http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Allt að 380 þúsund árum eftir Miklahvell alheimurinn var fyllt með jónuðu gasi og var alveg ógegnsætt. Á milli 380k – 400 milljón ára, alheimurinn var orðið hlutlaust og gagnsætt. Tímabil endurjónunar hófst eftir þennan áfanga sem hófst 400 milljónir eftir Miklahvell.  

Á hlutlausu tímabili snemma alheimurinn, þegar alheimurinn var fyllt með hlutlausum lofttegundum og var gegnsætt, ekkert sjónmerki var gefið frá sér (þess vegna kallað dimma öld). Sameinað efni gefur ekki frá sér ljós. Þetta veldur áskorun í rannsókn á snemma Universe af hlutlausu tímabili. Hins vegar býður örbylgjugeislun með 21 cm bylgjulengd (sem samsvarar 1420 MHz) frá köldu, hlutlausu alheimsvetni á þessu tímabili sem afleiðing af offínum umskiptum (frá samhliða snúningi yfir í stöðugri andhliða snúning) tækifæri fyrir vísindamenn. Þessi 21 cm örbylgjugeislun myndi rauðvikast þegar hún næði til jarðar og mun sjást á 200MHz til 10 MHz tíðnum sem útvarpsbylgjur^2,3.  

21 cm útvarpsstjörnufræði: Athugun á 21 sentímetra kosmískum vetnismerkjum býður upp á aðra nálgun við rannsókn á snemma alheimurinn sérstaklega af hlutlausum tímabilsfasa sem var laus við alla ljósgeislun. Þetta getur einnig upplýst okkur um nýja eðlisfræði eins og dreifingu efnis yfir tíma, dimma orku, hulduefni, nitrino massa og verðbólgu².  

Hins vegar, 21-cm merki sem geisla frá geimvetni snemma alheimurinn áfangi er fáránlegur. Gert er ráð fyrir að það sé afar veikt (um hundrað þúsund sinnum veikara en önnur útvarpsmerki sem einnig berast af himni). Þess vegna er þessi nálgun enn á frumstigi.  

Árið 2018 höfðu vísindamenn greint frá uppgötvun slíks útvarpsmerkis á tíðninni 78 MHz sem var að mestu í samræmi við væntingar um 21 sentímetra merkið sem frumvetnið gefur frá sér.⁴. En ekki var hægt að staðfesta þessa uppgötvun frummerkja 21 cm útvarpsmerkis sjálfstætt og því var ekki hægt að staðfesta áreiðanleika tilraunarinnar hingað til. Aðalatriðið virðist vera mengun með útvarpsmerkjum í forgrunni.  

Nýjasti áfanginn er skýrsla um útvarpstilraun fyrir greiningu á kosmískum vetni (REACH) þann 21. júlí 2022. REACH mun nota nýja tilraunaaðferð til að greina þessi veikburða geimræna útvarpsmerki og bjóða þannig upp á nýja von um staðfestingu á 21 sentímetra geimmerkjum.  

The Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) is a sky-averaged 21-cm experiment. This aims to improve observations by managing issues faced by instruments related to residual systematic signals in the data. It focusses on detecting and jointly explaining the systematics together with the foregrounds and the cosmological signal using Bayesian statistics. The tilraun involves simultaneous observations with two different antennas, an ultra-wideband system (redshift range about 7.5 to 28) and a receiver calibrator based on in-field measurements.  

Þessi þróun er umtalsverð miðað við möguleika hennar til að vera eitt besta verkfærið (og hagkvæmt líka gagnvart pláss-undirstaða stjörnustöðvar eins og james webb) til að rannsaka snemma alheimurinn sem og möguleika á að koma nýrri grundvallareðlisfræði inn.  

*** 

Tilvísanir:  

1. Prasad U., 2021.James Webb geimsjónauki (JWST): Fyrsta geimstjörnustöðin tileinkuð rannsóknum á alheiminum snemma. Vísindaleg Evrópu. Sent 6. nóvember 2021. Fæst á 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 og Loeb A., 2012. 21 cm heimsfræði á 21. öld. Skýrslur um framfarir í eðlisfræði 75 086901. Fæst á https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Forprentun á arXiv fáanleg á https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf útgáfa  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford háskóla. Heimspeki heimsfræði – 21 cm bakgrunnur. Fæst kl http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. o.fl. Frásogssnið sem miðast við 78 megahertz í himinmeðalrófinu. Náttúra 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. o.fl. REACH geislamælirinn til að greina 21 cm vetnismerki frá rauðviku z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Afhjúpar leyndardóma ungbarnaalheimsins með REACH geislamælinum. Fæst á netinu á  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***