Վաղ Տիեզերքի ուսումնասիրություն. REACH-ի փորձ՝ տիեզերական ջրածնից 21 սմ երկարությամբ գիծ հայտնաբերելու համար 

Observation of 26 cm ռադիո signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early տիեզերք. As for neutral epoch of the infant տիեզերք when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted ռադիո signals emitted by cosmic hydrogen in the early տիեզերք are extremely feeble and have been elusive so far. In 2018, EDGE experiment reported detection of 26 cm signals but the findings could not be independently confirmed. The main issue was instrument systematic and contamination with the other signals from the sky. The REACH Experiment is to employ unique methodology to overcome the bottleneck. It is hoped that this research group will reliably be able to detect these elusive signals in near future. If successful, REACH Experiment may bring ‘26 cm radio astronomy’ to the forefront in the study of early տիեզերք and help us much in unravelling the mysteries of early տիեզերք. 

When it comes to the study of վաղ տիեզերք, name of recently launched Ջեյմս Ուեբ տիեզերական աստղադիտակ (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful Hubble telescope, is a տարածություն-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Տիեզերք soon after the Big Bang¹. Սակայն, JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of վաղ տիեզերք մտահոգված է.  

Table: Epochs in the history of տիեզերք since the Big Bang  

(Աղբյուրը՝ Փիլիսոփայություն Տիեզերագիտության – 21 սմ ֆոն: Հասանելի է http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Up to 380 k years after the big bang, the տիեզերք was filled with ionised gas and was fully opaque. Between 380k – 400 million years, the տիեզերք had become neutral and transparent. The epoch of reionisation started after this phase starting 400 million after the big bang.  

During the neutral epoch of early տիեզերք, երբ տիեզերք was filled with neutral gases and was transparent, no optical signal was emitted (hence called dark age). Unionized material does not emit light. This poses a challenge in study of early Տիեզերք of neutral epoch. However, microwave radiation of 21 cm wavelength (corresponding to 1420 MHz) emitted by the cold, neutral cosmic hydrogen during this epoch as a result of hyperfine transition (from parallel spin to more stable anti-parallel spin) offers opportunities to researchers. This 21 cm microwave radiation would be redshifted upon reaching Earth and will be observed at 200MHz to 10 MHz frequencies as radio waves^2,3.  

21 սմ ռադիոաստղագիտություն. Observation of 21-centimeter cosmic hydrogen signals offers an alternative approach to the study of early տիեզերք especially of neutral epoch phase that was devoid of any light emission. This can also inform us about new physics such as distribution of matter over time, dark energy, dark matter, neutrino masses, and inflation².  

However, the 21-cm signals emitted by the cosmic hydrogen during early տիեզերք phase is elusive. It is expected to be extremely weak (about one hundred thousand times weaker than other radio signals also emanating from the sky). As a result, this approach is still in infancy.  

2018 թվականին հետազոտողները հայտնել էին, որ հայտնաբերել են նման ռադիոազդանշան 78 ՄՀց հաճախականությամբ, որի պրոֆիլը մեծապես համապատասխանում էր տիեզերական սկզբնական ջրածնի կողմից արձակված 21 սանտիմետր ազդանշանի ակնկալիքներին։⁴. Սակայն նախնական 21 սմ ռադիոազդանշանի այս հայտնաբերումը չի կարող ինքնուրույն հաստատվել, ուստի փորձի հուսալիությունը մինչ այժմ չի կարող հաստատվել: Թվում է, թե հիմնական խնդիրը առաջին պլանի ռադիոազդանշաններով աղտոտվածությունն է:  

Վերջին նշաձողը Տիեզերական ջրածնի վերլուծության ռադիոփորձի (REACH) զեկույցն է 21 թվականի հուլիսի 2022-ին: REACH-ը կօգտագործի նոր փորձարարական մոտեցում՝ հայտնաբերելու այս թույլ անհասանելի տիեզերական ռադիոազդանշանները, այդպիսով 21 սանտիմետրանոց տիեզերական ազդանշանների հաստատման նոր հույս կառաջարկի:  

Տիեզերական ջրածնի վերլուծության ռադիոփորձը (REACH) երկնային միջին 21 սմ փորձ է: Սա նպատակ ունի բարելավել դիտարկումները՝ կառավարելով այն խնդիրները, որոնց առնչվում են տվյալների մնացորդային համակարգված ազդանշանների հետ կապված գործիքները: Այն կենտրոնանում է բայեսյան վիճակագրության միջոցով համակարգվածության հայտնաբերման և համատեղ բացատրության վրա՝ առաջին պլանների և տիեզերական ազդանշանի հետ միասին: Փորձը ներառում է միաժամանակյա դիտարկումներ երկու տարբեր ալեհավաքներով, գերլայնաշերտ համակարգով (կարմիր տեղաշարժի միջակայքը մոտ 7.5-ից մինչև 28) և ընդունիչի կալիբրատոր՝ հիմնված դաշտային չափումների վրա:  

This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis տարածություն-based observatories like Jamesեյմս Ուեբ) for study of early տիեզերք as well as possibility of ushering in of new fundamental physics.  

*** 

Հիշատակում:  

1. Prasad U., 2021. Ջեյմս Ուեբ տիեզերական աստղադիտակ (JWST): Առաջին տիեզերական աստղադիտարանը, որը նվիրված է վաղ տիեզերքի ուսումնասիրությանը: Գիտական ​​եվրոպ. Տեղադրվել է 6 թվականի նոյեմբերի 2021-ին: Հասանելի է 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 սմ տիեզերագիտություն 21-րդ դարում. Ֆիզիկայի առաջընթացի մասին հաշվետվություններ 75 086901. Հասանելի է https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Նախնական տպագրությունը arXiv-ում հասանելի է https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf տարբերակը  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Օքսֆորդի համալսարան. Տիեզերագիտության փիլիսոփայություն – 21 սմ ֆոն: Հասանելի է http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Կլանման պրոֆիլը կենտրոնացած է 78 մեգահերց վրա երկնքի միջին սպեկտրում: Nature 555, 67–70 (2018): https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. REACH ռադիոմետրը կարմիր շեղումից 21 սմ ջրածնի ազդանշան հայտնաբերելու համար z ≈ 7.5–28: Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Բացահայտելով մանկական տիեզերքի առեղծվածները REACH ռադիոմետրով: Հասանելի է առցանց՝ հասցեով  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***