REKLÁM

A korai Univerzum tanulmányozása: REACH-kísérlet a kozmikus hidrogén megfoghatatlan, 21 cm-es vonalának kimutatására 

A kozmikus hidrogén hiperfinom átmenete következtében létrejött 26 cm-es rádiójelek megfigyelése alternatív eszközt kínál a korai univerzum tanulmányozására. Ami a csecsemő-univerzum semleges korszakát illeti, amikor nem bocsátott ki fényt, a 26 cm-es vonalak talán csak ablakot jelentenek. Azonban ezek a vöröseltolódású rádiójelek, amelyeket a kozmikus hidrogén bocsát ki a korai univerzumban, rendkívül gyengék, és eddig megfoghatatlanok voltak. 2018-ban az EDGE kísérlet 26 cm-es jelek észleléséről számolt be, de az eredményeket nem tudták egymástól függetlenül megerősíteni. A fő probléma a műszerek szisztematikussága és az égből érkező egyéb jelekkel való szennyeződés volt. A REACH-kísérlet célja, hogy egyedi módszertant alkalmazzon a szűk keresztmetszet leküzdésére. Remélhetőleg ez a kutatócsoport a közeljövőben megbízhatóan képes lesz észlelni ezeket a megfoghatatlan jeleket. Ha sikeres lesz, a REACH-kísérlet a „26 cm-es rádiócsillagászatot” a korai univerzum tanulmányozásának előtérbe helyezheti, és sokat segíthet a korai univerzum titkainak megfejtésében. 

Amikor a korai univerzum tanulmányozásáról van szó, a nemrégiben felbocsátott James Webb Űrteleszkóp (JWST) neve bukkan fel a fejünkben. A JWST, a nagysikerű Hubble-teleszkóp utódja, egy űrben lévő infravörös obszervatórium, amely képes rögzíteni az Univerzumban nem sokkal az Ősrobbanás után kialakult korai csillagok és galaxisok optikai/infravörös jeleit.1. A JWST-nek azonban vannak bizonyos korlátai, ami a korai univerzum semleges korszakából származó jelek felvételét illeti.  

Táblázat: A világegyetem történetének korszakai az Ősrobbanás óta  

(Forrás: Philosophy of Cosmology – 21 cm-es háttér. Elérhető a címen http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

380 ezer évvel az ősrobbanás után az univerzum tele volt ionizált gázzal, és teljesen átlátszatlan volt. 380 ezer és 400 millió év között az univerzum semlegessé és átlátszóvá vált. Az ősrobbanás után 400 millióval kezdődő szakasz után kezdődött a reionizáció korszaka.  

A korai univerzum semleges korszakában, amikor az univerzum semleges gázokkal volt megtöltve és átlátszó volt, nem bocsátottak ki optikai jelet (ezért nevezik sötét kornak). Az egyesített anyag nem bocsát ki fényt. Ez kihívás elé állítja a semleges korszak korai Univerzumának tanulmányozását. A hideg, semleges kozmikus hidrogén e korszak alatt a hiperfinom átmenet eredményeként (a párhuzamos spinből a stabilabb anti-párhuzamos spinig) kibocsátott 21 cm-es hullámhosszú mikrohullámú sugárzás (ami 1420 MHz-nek felel meg) azonban lehetőséget kínál a kutatóknak. Ez a 21 cm-es mikrohullámú sugárzás vöröseltolódást szenvedne, amikor eléri a Földet, és 200 MHz-től 10 MHz-ig terjedő frekvencián lesz megfigyelhető rádióhullámként2,3.  

21 cm-es rádiócsillagászat: A 21 centiméteres kozmikus hidrogénjelek megfigyelése alternatív megközelítést kínál a korai univerzum, különösen a fénykibocsátástól mentes semleges korszak vizsgálatához. Ez olyan új fizikáról is tájékoztathat bennünket, mint az anyag időbeli eloszlása, a sötét energia, a sötét anyag, a neutrínók tömege és az infláció2.  

A kozmikus hidrogén által a korai univerzum fázisában kibocsátott 21 cm-es jelek azonban megfoghatatlanok. Várhatóan rendkívül gyenge lesz (körülbelül százezerszer gyengébb, mint más, szintén az égből kisugárzó rádiójelek). Ennek eredményeként ez a megközelítés még gyerekcipőben jár.  

2018-ban a kutatók egy ilyen rádiójel észleléséről számoltak be 78 MHz-es frekvencián, amelynek profilja nagymértékben megfelelt az ősi kozmikus hidrogén által kibocsátott 21 centiméteres jelre vonatkozó elvárásoknak.4. A 21 cm-es ősi rádiójel detektálását azonban nem tudták önállóan megerősíteni, így a kísérlet megbízhatóságát ez idáig nem sikerült megállapítani. A fő probléma az előtérben lévő rádiójelekkel való szennyeződésnek tűnik.  

A legújabb mérföldkő a 21. július 2022-i Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) jelentése. A REACH új kísérleti megközelítést alkalmaz ezen gyenge, megfoghatatlan kozmikus rádiójelek észlelésére, így új reményt kínál a 21 centiméteres kozmikus jelek megerősítésére.  

A Radio Experiment for Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) egy égbolt átlagú, 21 cm-es kísérlet. Ennek célja a megfigyelések javítása azáltal, hogy kezeli azokat a problémákat, amelyekkel a műszerek szembesülnek az adatokban maradó szisztematikus jelekkel kapcsolatban. A bayesi statisztika segítségével a szisztematika, valamint az előtér és a kozmológiai jel észlelésére és közös magyarázatára összpontosít. A kísérlet két különböző antennával, egy ultraszéles sávú rendszerrel (körülbelül 7.5-28 vöröseltolódási tartomány) és egy helyszíni méréseken alapuló vevőkalibrátorral végzett egyidejű megfigyeléseket foglal magában.  

Ez a fejlesztés jelentős, tekintve, hogy az egyik legjobb eszköz lehet (és túl költséghatékony az űrben működő obszervatóriumokhoz, például James Webbhez képest) a korai univerzum tanulmányozására, valamint az új alapvető fizika bevezetésének lehetőségére.  

*** 

Referenciák:  

  1. Prasad U., 2021. James Webb Űrteleszkóp (JWST): Az első Űr Obszervatórium, amelyet a korai világegyetem tanulmányozására szenteltek. Tudományos európai. Feladás dátuma: 6. november 2021. Elérhető: http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 
  1. Pritchard JA és Loeb A., 2012. 21 cm kozmológia a 21. században. Jelentések a fizika fejlődéséről 75 086901. Elérhető: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Előnyomtatás az arXiv oldalon elérhető a következő címen: https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf verzió  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 
  1. Oxford Egyetem. Kozmológia filozófia – 21 cm-es háttér. Elérhető http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Egy abszorpciós profil, amelynek középpontja 78 megahertz az égbolt-átlagos spektrumban. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 
  1. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. A REACH radiométer a 21 cm-es hidrogénjel érzékelésére a vöröseltolódásból z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  
  1. Eloy de Lera Acedo 2022. A csecsemő világegyetem rejtélyeinek leleplezése a REACH sugármérővel. Elérhető online a címen  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Tudományos újságíró | A Scientific European folyóirat alapító szerkesztője

Iratkozzon fel hírlevelünkre

A legfrissebb hírekkel, ajánlatokkal és külön értesítésekkel kell frissíteni.

Legnépszerűbb cikkek

Brain Pacemaker: Új remény a demenciában szenvedőknek

Az Alzheimer-kór agyi "pacemakere" segít a betegeknek...

Kitartás: Mi olyan különleges a NASA Mars 2020-as küldetésének Roverjében?

A NASA ambiciózus Mars-küldetése, a Mars 2020 sikeresen elindult 30-án...
- Reklám -
94,873VentilátorokMint
47,763KövetőKövesse
1,772KövetőKövesse
30ElőfizetőkFeliratkozás