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

A kozmikus hidrogén hiperfinom átmenete következtében létrejövő 26 cm-es rádiójelek megfigyelése alternatív eszközt kínál a korai világegyetem. Ami a csecsemő semleges korszakát illeti világegyetem amikor nem sugárzott fény, a 26 cm-es vonalak talán csak ablak. Azonban ezek a vöröseltolódású rádiójelek a kozmikus hidrogén által kibocsátott korai időszakban világegyetem 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 egyedi módszertan alkalmazása a szűk keresztmetszet leküzdésére. Remélhetőleg ez a kutatócsoport a közeljövőben megbízhatóan képes lesz észlelni ezeket a megfoghatatlan jeleket. Siker esetén a REACH-kísérlet a „26 cm-es rádiócsillagászatot” előtérbe helyezheti a korai világegyetem és sokat segít nekünk a korai titkok megfejtésében világegyetem. 

Amikor a tanulmányozásról van szó korai univerzum, a nemrégiben elindított név James Webb űrtávcső (JWST) felbukkan az elménkben. JWST, a rendkívül sikeres utódja Hubble teleszkóp, egy űrben lévő infravörös obszervatórium, amely a korai csillagok és galaxisok optikai/infravörös jeleinek rögzítésére van felszerelve. Világegyetem nem sokkal az Ősrobbanás után¹. Azonban, JWST van néhány korlátozása a semleges korszakból érkező jelek felvételére vonatkozóan korai univerzum érdekelt.  

táblázat: Korszakok történetében világegyetem 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)  

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

A korai semleges korszakban világegyetem, amikor az világegyetem semleges gázokkal volt feltöltve és átlátszó volt, nem bocsátott ki optikai jelet (ezért nevezik sötét kornak). Az egyesített anyag nem bocsát ki fényt. Ez kihívás elé állítja a korai tanulmányozást Világegyetem semleges korszak. 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 (1420 MHz-nek megfelelő) mikrohullámú sugárzás 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 rádióhullámként^2,3.  

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

Azonban a kozmikus hidrogén által kibocsátott 21 cm-es jelek korai szakaszában világegyetem fázis megfoghatatlan. 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 túlságosan költséghatékony az űralapú obszervatóriumokhoz, mint pl. James Webb) korai tanulmányozására világegyetem valamint az új alapvető fizika bevezetésének lehetősége.  

*** 

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/ 

2. 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 

3. Oxford Egyetem. Kozmológia filozófia – 21 cm-es háttér. Elérhető http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. 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 

5. 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  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. A csecsemő világegyetem rejtélyeinek leleplezése a REACH sugármérővel. Elérhető online a címen  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***