Pag-aaral ng Early Universe: REACH Experiment para makita ang mailap na 21-cm na linya mula sa Cosmic Hydrogen 

Pagmamasid ng 26 cm radyo signal, nabuo dahil sa hyperfine transition ng cosmic hydrogen ay nag-aalok ng isang alternatibong tool sa pag-aaral ng maaga sansinukob. Tulad ng para sa neutral na panahon ng sanggol sansinukob kapag walang ilaw na nailabas, ang 26 cm na linya ay marahil ay bintana lamang. Gayunpaman, ang mga redshift na ito radyo signal na ibinubuga ng cosmic hydrogen sa unang bahagi sansinukob ay lubhang mahina at naging mailap sa ngayon. Noong 2018, ang eksperimento sa EDGE ay nag-ulat ng pagtuklas ng 26 cm na mga signal ngunit ang mga natuklasan ay hindi nakapag-iisa na makumpirma. Ang pangunahing isyu ay sistematikong instrumento at kontaminasyon sa iba pang mga signal mula sa kalangitan. Ang REACH Experiment ay gumamit ng kakaibang pamamaraan para malampasan ang bottleneck. Inaasahan na ang pangkat ng pananaliksik na ito ay mapagkakatiwalaang matukoy ang mga mailap na signal na ito sa malapit na hinaharap. Kung matagumpay, ang REACH Experiment ay maaaring magdala ng '26 cm radio astronomy' sa unahan sa pag-aaral ng maagang sansinukob at marami kaming tulungan sa paglutas ng mga misteryo ng maaga sansinukob. 

Pagdating sa pag-aaral ng maagang uniberso, pangalan ng kamakailang inilunsad James Webb Space Telescope (JWST) lumalabas sa ating isipan. JWST, isang kahalili ng napakalaking matagumpay Hubble teleskopyo, ay isang puwang-based, infrared observatory na nilagyan upang kumuha ng optical/infrared signal mula sa mga unang bituin at galaxy na nabuo sa Sansinukob pagkatapos ng Big Bang¹. Gayunpaman, JWST ay may ilang limitasyon hanggang sa pagkuha ng mga signal mula sa neutral na panahon ng maagang uniberso ay nababahala.  

Talahanayan: Mga kapanahunan sa kasaysayan ng sansinukob mula noong Big Bang  

(Source: Philosophy of Cosmology – 21 cm background. Available sa http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Hanggang sa 380 k taon pagkatapos ng big bang, ang sansinukob ay napuno ng ionised gas at ganap na malabo. Sa pagitan ng 380k – 400 milyong taon, ang sansinukob naging neutral at transparent. Ang panahon ng reionization ay nagsimula pagkatapos ng yugtong ito simula 400 milyon pagkatapos ng big bang.  

Sa panahon ng neutral na panahon ng maaga sansinukob, kapag ang sansinukob ay napuno ng mga neutral na gas at transparent, walang optical signal na inilabas (kaya tinatawag na dark age). Ang pinagsama-samang materyal ay hindi naglalabas ng liwanag. Ito ay nagdudulot ng hamon sa pag-aaral ng maaga Sansinukob ng neutral na panahon. Gayunpaman, ang microwave radiation na 21 cm wavelength (naaayon sa 1420 MHz) na ibinubuga ng malamig, neutral na cosmic hydrogen sa panahong ito bilang resulta ng hyperfine transition (mula sa parallel spin patungo sa mas matatag na anti-parallel spin) ay nag-aalok ng mga pagkakataon sa mga mananaliksik. Ang 21 cm microwave radiation na ito ay magiging redshift sa pag-abot sa Earth at oobserbahan sa 200MHz hanggang 10 MHz frequency bilang mga radio wave.^2,3.  

21 cm radio astronomy: Ang pagmamasid sa 21-sentimetro na cosmic hydrogen signal ay nag-aalok ng alternatibong diskarte sa pag-aaral ng maaga sansinukob lalo na sa neutral na yugto ng panahon na walang anumang liwanag na paglabas. Maaari din nitong ipaalam sa amin ang tungkol sa mga bagong pisika tulad ng pamamahagi ng bagay sa paglipas ng panahon, dark energy, dark matter, neutrino masa, at inflation².  

Gayunpaman, ang 21-cm na mga signal na ibinubuga ng cosmic hydrogen noong maaga sansinukob phase ay mailap. Inaasahan na ito ay lubhang mahina (humigit-kumulang isang daang libong beses na mas mahina kaysa sa iba pang mga signal ng radyo na nagmumula rin sa kalangitan). Bilang resulta, ang pamamaraang ito ay nasa pagkabata pa.  

Noong 2018, iniulat ng mga mananaliksik ang pagtuklas ng naturang signal ng radyo sa dalas na 78 MHz na ang profile ay higit na pare-pareho sa mga inaasahan para sa 21-sentimetro na signal na ibinubuga ng primordial cosmic hydrogen.⁴. Ngunit ang pagtuklas ng primordial na 21-cm na signal ng radyo na ito ay hindi maaaring makumpirma nang nakapag-iisa kaya't ang pagiging maaasahan ng eksperimento ay hindi maitatag sa ngayon. Ang pangunahing isyu ay tila kontaminasyon sa mga signal ng radyo sa harapan.  

Ang pinakahuling milestone ay ang ulat ng Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) noong 21 July 2022. Gagamit ang REACH ng novel experimental approach para matukoy ang mga mahihinang mailap na cosmic radio signal na ito kaya nag-aalok ng bagong pag-asa para sa kumpirmasyon ng 21-centimeter cosmic signal.  

Ang Eksperimento sa Radyo para sa Pagsusuri ng Cosmic Hydrogen (REACH) ay isang sky-average na 21-cm na eksperimento. Nilalayon nitong pahusayin ang mga obserbasyon sa pamamagitan ng pamamahala sa mga isyung kinakaharap ng mga instrumentong nauugnay sa mga natitirang sistematikong signal sa data. Nakatuon ito sa pag-detect at magkakasamang pagpapaliwanag sa mga sistematiko kasama ang mga foreground at ang cosmological signal gamit ang mga istatistika ng Bayesian. Ang eksperimento nagsasangkot ng sabay-sabay na mga obserbasyon na may dalawang magkaibang antenna, isang ultra-wideband system (redshift range na humigit-kumulang 7.5 hanggang 28) at isang receiver calibrator batay sa mga in-field na sukat.  

Ang pag-unlad na ito ay makabuluhan dahil sa potensyal nito na maging isa sa mga pinakamahusay na tool (at masyadong epektibo sa gastos vis-a-vis puwang-based na mga obserbatoryo tulad ng james webb) para sa pag-aaral ng maaga sansinukob pati na rin ang posibilidad ng pagsisimula ng bagong pangunahing pisika.  

*** 

Sanggunian:  

1. Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): Ang Unang Space Observatory na Nakatuon sa Pag-aaral ng Maagang Uniberso. Siyentipikong European. Nai-post noong Nobyembre 6, 2021. Magagamit sa 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 at Loeb A., 2012. 21 cm cosmology noong ika-21 siglo. Mga Ulat sa Pag-unlad sa Physics 75 086901. Magagamit sa https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Magagamit ang preprint sa arXiv sa https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf version  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Unibersidad ng Oxford. Pilosopiya ng Cosmology – 21 cm na background. Available sa http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Isang absorption profile na nakasentro sa 78 megahertz sa sky-averaged spectrum. Kalikasan 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Ang REACH radiometer para sa pagtukoy ng 21-cm hydrogen signal mula sa redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Pagbubunyag ng mga misteryo ng sanggol na Uniberso gamit ang REACH radiometer. Available online sa  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***