Studie vum fréien Universum: REACH Experiment fir eng elusiv 21-cm Linn vu kosmesche Waasserstoff z'entdecken 

Observatioun vun 26 cm radio Signaler, geformt wéinst hyperfine Transitioun vun kosmescher Wasserstoff Offer eng Alternativ Outil fir d'Etude vun fréi Universum. Wat d'neutral Epoch vum Puppelchen ugeet Universum wann kee Liicht war emittéiert, 26 cm Linnen sinn vläicht nëmmen Fënster. Allerdéngs hunn dës rout verréckelt radio Signaler, déi vum kosmesche Waasserstoff am fréie emittéiert goufen Universum sinn extrem schwaach a si bis elo flüchteg gewiescht. Am Joer 2018 huet EDGE Experiment Detektioun vu 26 cm Signaler gemellt, awer d'Resultater konnten net onofhängeg bestätegt ginn. D'Haaptthema war Instrument systematesch a Kontaminatioun mat den anere Signaler vum Himmel. D'REACH Experiment ass eng eenzegaarteg Methodik ze benotzen fir de Flaschenhals ze iwwerwannen. Et gëtt gehofft datt dës Fuerschungsgrupp zouverlässeg fäeg ass dës flüchteg Signaler an noer Zukunft z'entdecken. Wann et erfollegräich ass, kann d'REACH Experiment '26 cm Radioastronomie' op d'Spëtzt bréngen an der Studie vu fréien Universum an hëlleft eis vill fir d'Geheimnisser vu fréi z'entdecken Universum. 

Wann et ëm d'Etude vun fréi Universum, Numm vun kuerzem lancéiert James Webb Weltraumteleskop (JWST) erschéngt an eisem Kapp. JWST, engem Nofolger vun enorm erfollegräich Hubble Teleskop, ass a Plaz-baséiert, Infrarout Observatoire equipéiert fir optesch/Infrarout Signaler vun de fréie Stären a Galaxien, déi am Universum kuerz nom Big Bang¹. Awer, JWST huet e puer Aschränkungen sou wäit wéi Signaler aus der neutraler Epoch vun ophuelen fréi Universum ubelaangt.  

Dësch: Epochen an der Geschicht vun Universum zanter dem Big Bang  

(Quelle: Philosophie vun der Kosmologie - 21 cm Hannergrond. Verfügbar bei http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Bis zu 380 k Joer nom Iwwerknall, de Universum war mat ioniséierte Gas gefëllt a war voll opak. Tëscht 380k - 400 Millioune Joer, der Universum neutral an transparent ginn. D'Epoch vun der Reioniséierung huet no dëser Phase ugefaang 400 Milliounen nom Big Bang.  

Während der neutraler Epoch vu fréi Universum, wann de Universum war mat neutralen Gase gefëllt a war transparent, keen opteschen Signal emittéiert (dofir genannt donkel Alter). Unioun Material emittéiert kee Liicht. Dëst stellt eng Erausfuerderung an der Studie vu fréi Universum vun neutraler Epoch. Wéi och ëmmer, Mikrowellestralung vun 21 cm Wellelängt (entspriechend 1420 MHz), déi vum kalen, neutralen kosmesche Waasserstoff während dëser Epoch als Resultat vum hyperfeinen Iwwergang (vu parallel Spin zu méi stabiler Antiparallel Spin) emittéiert gëtt, bitt Fuerscher Méiglechkeeten. Dës 21 cm Mikrowellestralung géif rout verréckelt ginn beim Erreeche vun der Äerd a gëtt bei 200MHz bis 10 MHz Frequenzen als Radiowellen observéiert^2,3.  

21 cm Radioastronomie: Observatioun vun 21-Zentimeter kosmescher Wasserstoff Signaler offréiert eng alternativ Approche fir d'Etude vun fréi Universum besonnesch vun der neutraler Epochphase déi ouni Liichtemissioun war. Dëst kann eis och iwwer nei Physik informéieren wéi Verdeelung vun der Matière iwwer Zäit, donkel Energie, donkel Matière, Neutrinomassen, an Inflatioun².  

Wéi och ëmmer, d'21-cm-Signaler, déi vum kosmesche Waasserstoff während fréi ausgestraalt goufen Universum Phase ass onkloer. Et gëtt erwaart extrem schwaach ze sinn (ongeféier honnertdausendmol méi schwaach wéi aner Radiosignaler, déi och vum Himmel kommen). Als Resultat ass dës Approche nach an der Kandheet.  

Am Joer 2018 hunn d'Fuerscher d'Detektioun vu sou engem Radiosignal mat enger Frequenz vun 78 MHz gemellt, deem säi Profil gréisstendeels konsequent mat Erwaardungen fir den 21 Zentimeter Signal aus dem primordialen kosmesche Waasserstoff war.⁴. Awer dës Detektioun vum primordialen 21-cm Radiosignal konnt net onofhängeg bestätegt ginn, dofir konnt d'Zouverlässegkeet vum Experiment net bis elo etabléiert ginn. D'Haaptthema schéngt Kontaminatioun mat de Virdergrond Radiosignaler ze sinn.  

De leschte Meilesteen ass Bericht vum Radio Experiment fir d'Analyse vum Kosmesche Waasserstoff (REACH) den 21. Juli 2022. REACH wäert eng nei experimentell Approche benotzen fir dës schwaach elusiv kosmesch Radiosignaler z'entdecken, also eng nei Hoffnung fir Bestätegung vun 21 Zentimeter kosmesche Signaler ze bidden.  

D'Radio Experiment fir d'Analyse vum Kosmesche Waasserstoff (REACH) ass en Himmel-Moyenne 21-cm Experiment. Dëst zielt d'Observatiounen ze verbesseren andeems d'Problemer mat Instrumenter am Zesummenhang mat Reschtsystematesch Signaler an den Daten verwalten. Et konzentréiert sech op d'Entdeckung an d'Zesummenaarbecht vun der Systematik zesumme mat de Virdergrond an dem kosmologesche Signal mat Bayesian Statistiken. Déi Experimenter implizéiert gläichzäiteg Observatioune mat zwou verschiddenen Antennen, engem Ultra-Wäitbandsystem (Routverrécklungsberäich ongeféier 7.5 bis 28) an en Empfängerkalibrator baséiert op Feldmiessungen.  

Dës Entwécklung ass bedeitend wéinst hirem Potenzial fir ee vun de beschten Tools ze sinn (a kosteneffektiv ze vis-a-vis Plaz-baséiert Observatoiren wéi james webb) fir Studie vun fréi Universum souwéi d'Méiglechkeet fir nei fundamental Physik unzefänken.  

*** 

Referenzen:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Weltraumteleskop (JWST): Den Éischte Weltraumobservatoire gewidmet fir d'Studie vum fréien Universum. Wëssenschaftlech Europäesch. Gepost 6. November 2021. Verfügbar um 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 and Loeb A., 2012. 21 cm Kosmologie am 21. Joerhonnert. Berichter iwwer Fortschrëtter an der Physik 75 086901. Disponibel bei https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint bei arXiv verfügbar um https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf Versioun  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Oxford Universitéit. Philosophie vun der Kosmologie - 21 cm Hannergrond. Verfügbar um http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R., et al. En Absorptiounsprofil zentréiert op 78 Megahertz am Himmel-Moyenne Spektrum. Natur 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. D'REACH radiometer fir detektéieren der 21-cm Wasserstoff Signal aus redshift z ≈ 7.5-28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Entdeckt d'Geheimnisser vum Puppelcher Universum mam REACH Radiometer. Online verfügbar bei  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***