مطالعه جهان اولیه: آزمایش REACH برای شناسایی خط 21 سانتی متری گریزان از هیدروژن کیهانی 

مشاهده 26 سانتی متر رادیو سیگنال‌هایی که به دلیل انتقال فوق‌ریز هیدروژن کیهانی ایجاد می‌شوند، ابزار جایگزینی برای مطالعه اولیه هستند جهان. در مورد دوران خنثی نوزاد جهان وقتی هیچ نوری ساطع نمی شد، خطوط 26 سانتی متری شاید فقط پنجره باشند. با این حال، اینها به قرمز منتقل شدند رادیو سیگنال های ساطع شده توسط هیدروژن کیهانی در اوایل جهان بسیار ضعیف هستند و تاکنون گریزان بوده اند. در سال 2018، آزمایش EDGE تشخیص سیگنال‌های 26 سانتی‌متری را گزارش کرد، اما یافته‌ها به طور مستقل تأیید نشد. مسئله اصلی سیستماتیک بودن ابزار و آلودگی با سیگنال های دیگر از آسمان بود. آزمایش REACH استفاده از روش منحصر به فرد برای غلبه بر تنگنا است. امید است که این گروه تحقیقاتی به طور قابل اعتمادی قادر به تشخیص این سیگنال های گریزان در آینده نزدیک باشد. در صورت موفقیت، آزمایش REACH ممکن است "نجوم رادیویی 26 سانتی متری" را در مطالعه اولیه به خط مقدم برساند. جهان و ما را در کشف رازهای اولیه بسیار کمک می کند جهان. 

وقتی صحبت از مطالعه می شود جهان اولیه، نام اخیراً راه اندازی شده است تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در ذهن ما ظاهر می شود JWST، یک جانشین بسیار موفق هابل تلسکوپ، یک است فضارصدخانه مادون قرمز مستقر برای گرفتن سیگنال های نوری/مادون قرمز از ستارگان و کهکشان های اولیه تشکیل شده در جهان بلافاصله پس از انفجار بزرگ¹است. با این حال، JWST تا آنجا که دریافت سیگنال ها از دوران خنثی است، محدودیت هایی دارد جهان اولیه نگران است.  

جدول: اعصار در تاریخ جهان از زمان انفجار بزرگ  

(منبع: فلسفه کیهان شناسی – پس زمینه 21 سانتی متر. موجود در http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

تا 380 هزار سال پس از انفجار بزرگ، جهان با گاز یونیزه پر شده بود و کاملاً مات بود. بین 380 هزار تا 400 میلیون سال، جهان خنثی و شفاف شده بود. عصر یونیزه شدن مجدد پس از این مرحله آغاز شد که 400 میلیون پس از انفجار بزرگ آغاز شد.  

در دوران بی طرفی اوایل جهان، وقتی که جهان پر از گازهای خنثی بود و شفاف بود، هیچ سیگنال نوری منتشر نمی شد (از این رو عصر تاریک نامیده می شود). مواد متحد شده نور ساطع نمی کنند. این یک چالش در مطالعه اولیه است جهان دوران بی طرف با این حال، تشعشعات مایکروویو با طول موج 21 سانتی‌متر (مطابق با 1420 مگاهرتز) که توسط هیدروژن کیهانی سرد و خنثی در طول این دوره در نتیجه انتقال بسیار ظریف (از اسپین موازی به اسپین ضد موازی پایدارتر) ساطع می‌شود، فرصت‌هایی را در اختیار محققان قرار می‌دهد. این تشعشع مایکروویو 21 سانتی متری با رسیدن به زمین به سرخ منتقل می شود و در فرکانس های 200 مگاهرتز تا 10 مگاهرتز به عنوان امواج رادیویی مشاهده می شود.^2,3.  

نجوم رادیویی 21 سانتی متری: مشاهده سیگنال های هیدروژن کیهانی 21 سانتی متری یک رویکرد جایگزین برای مطالعه اولیه ارائه می دهد جهان به ویژه در فاز دوران خنثی که فاقد هرگونه گسیل نور بود. این همچنین می تواند ما را در مورد فیزیک جدید مانند توزیع ماده در طول زمان، انرژی تاریک، ماده تاریک، توده های نوترینو و تورم آگاه کند.².  

با این حال، سیگنال های 21 سانتی متری توسط هیدروژن کیهانی در اوایل ساطع می شوند جهان فاز گریزان است انتظار می رود که بسیار ضعیف باشد (حدود صد هزار برابر ضعیف تر از سایر سیگنال های رادیویی که از آسمان نیز منتشر می شوند). در نتیجه، این رویکرد هنوز در مراحل اولیه است.  

در سال 2018، محققان کشف چنین سیگنال رادیویی را در فرکانس 78 مگاهرتز گزارش کرده بودند که مشخصات آن تا حد زیادی با انتظارات برای سیگنال 21 سانتی متری ساطع شده توسط هیدروژن کیهانی اولیه مطابقت داشت.⁴. اما این تشخیص سیگنال رادیویی 21 سانتی‌متری اولیه را نمی‌توان به طور مستقل تأیید کرد، بنابراین قابلیت اطمینان آزمایش تاکنون تأیید نشده است. به نظر می رسد مسئله اصلی آلودگی با سیگنال های رادیویی پیش زمینه باشد.  

آخرین نقطه عطف، گزارش آزمایش رادیویی برای تجزیه و تحلیل هیدروژن کیهانی (REACH) در 21 ژوئیه 2022 است. REACH از رویکرد آزمایشی جدید برای شناسایی این سیگنال‌های رادیویی ضعیف کیهانی استفاده می‌کند، بنابراین امید جدیدی برای تأیید سیگنال‌های کیهانی 21 سانتی‌متری ارائه می‌کند.  

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 تجربه 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.  

این توسعه با توجه به پتانسیل آن برای تبدیل شدن به یکی از بهترین ابزارها (و مقرون به صرفه بودن بیش از حد در مقابل) قابل توجه است فضارصدخانه های مبتنی بر مانند جیمز وب) برای مطالعه اولیه جهان و همچنین امکان راه اندازی فیزیک بنیادی جدید.  

*** 

منابع:  

1. پراساد یو.، 2021. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST): اولین رصدخانه فضایی اختصاص داده شده به مطالعه جهان اولیه. اروپایی علمی. ارسال شده در 6 نوامبر 2021. موجود در 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. کیهان شناسی 21 سانتی متری در قرن بیست و یکم. گزارشات پیشرفت در فیزیک 21 75. موجود در https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. پیش چاپ در arXiv در دسترس است https://arxiv.org/abs/1109.6012  نسخه پی دی اف  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. دانشگاه آکسفورد. فلسفه کیهان شناسی – پس زمینه 21 سانتی متر. موجود در http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. یک نمایه جذب در مرکز 78 مگاهرتز در طیف میانگین آسمان. Nature 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. رادیومتر REACH برای تشخیص سیگنال هیدروژن 21 سانتی متری از انتقال به سرخ z ≈ 7.5-28. نات استرون (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. پرده برداری از اسرار جهان نوزاد با رادیومتر REACH. در دسترس آنلاین در  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***