Studio dell'universo primordiale: esperimento REACH per rilevare una linea sfuggente di 21 cm dall'idrogeno cosmico 

Osservazione di 26 cm radio i segnali, formatisi a causa della transizione iperfine dell'idrogeno cosmico, offrono uno strumento alternativo allo studio dei primi tempi universo. Per quanto riguarda l'epoca neutra del bambino universo quando non veniva emessa luce, le linee di 26 cm sono forse solo finestre. Tuttavia, questi si sono spostati verso il rosso radio segnali emessi dall’idrogeno cosmico nei primi tempi universo sono estremamente deboli e finora sono stati sfuggenti. Nel 2018, l'esperimento EDGE ha riportato il rilevamento di segnali di 26 cm, ma i risultati non possono essere confermati in modo indipendente. Il problema principale era la sistematica degli strumenti e la contaminazione con gli altri segnali provenienti dal cielo. L'esperimento REACH prevede l'utilizzo di una metodologia unica per superare il collo di bottiglia. Si spera che questo gruppo di ricerca sia in grado di rilevare in modo affidabile questi segnali sfuggenti nel prossimo futuro. In caso di successo, l'esperimento REACH potrebbe portare la "radioastronomia da 26 cm" in primo piano nello studio dei primi universo e aiutaci molto a svelare i misteri dei primi tempi universo. 

Quando si tratta di studio di universo primordiale, nome del lanciato di recente Telescopio spaziale James Webb (JWST) ci viene in mente. JWST, un successore di grande successo Hubble telescopio, è un spazioosservatorio a infrarossi attrezzato per catturare segnali ottici/infrarossi provenienti dalle prime stelle e galassie formatesi nel Universo subito dopo il Big Bang¹. Tuttavia, JWST presenta qualche limitazione per quanto riguarda la raccolta di segnali dall'epoca neutrale del universo primordiale è preoccupato.  

Tabella: Epoche della storia di universo dal Big Bang  

(Fonte: Filosofia della Cosmologia – 21 cm di sfondo. Disponibile a http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Fino a 380 mila anni dopo il big bang, il universo era pieno di gas ionizzato ed era completamente opaco. Tra 380 e 400 milioni di anni, il universo era diventato neutrale e trasparente. Dopo questa fase iniziò l'epoca della reionizzazione, iniziata 400 milioni dopo il big bang.  

Durante l'epoca neutrale dei primi universo, quando il universo era piena di gas neutri ed era trasparente, non veniva emesso alcun segnale ottico (da qui chiamata età oscura). Il materiale unionizzato non emette luce. Ciò rappresenta una sfida nello studio iniziale Universo di epoca neutrale. Tuttavia, la radiazione a microonde con una lunghezza d'onda di 21 cm (corrispondente a 1420 MHz) emessa dall'idrogeno cosmico freddo e neutro durante questa epoca come risultato della transizione iperfine (dallo spin parallelo allo spin antiparallelo più stabile) offre opportunità ai ricercatori. Questa radiazione a microonde di 21 cm verrebbe spostata verso il rosso una volta raggiunta la Terra e sarà osservata alle frequenze da 200 MHz a 10 MHz come onde radio^2,3.  

Radioastronomia da 21 cm: L'osservazione dei segnali cosmici di idrogeno di 21 centimetri offre un approccio alternativo allo studio dei primi universo soprattutto di fase epocale neutra cioè priva di qualsiasi emissione luminosa. Questo può anche informarci sulla nuova fisica come la distribuzione della materia nel tempo, l’energia oscura, la materia oscura, le masse dei neutrini e l’inflazione.².  

Tuttavia, i segnali di 21 cm emessi dall'idrogeno cosmico sono precoci universo la fase è sfuggente. Si prevede che sarà estremamente debole (circa centomila volte più debole di altri segnali radio provenienti dal cielo). Di conseguenza, questo approccio è ancora in fase iniziale.  

Nel 2018, i ricercatori avevano segnalato il rilevamento di un tale segnale radio a una frequenza di 78 MHz il cui profilo era ampiamente coerente con le aspettative per il segnale di 21 centimetri emesso dall'idrogeno cosmico primordiale⁴. Ma questo rilevamento del segnale radio primordiale di 21 cm non può essere confermato in modo indipendente, quindi l'affidabilità dell'esperimento non può essere stabilita finora. Il problema principale sembra essere la contaminazione con i segnali radio in primo piano.  

L'ultima pietra miliare è il rapporto di Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) il 21 luglio 2022. REACH utilizzerà un nuovo approccio sperimentale per rilevare questi deboli segnali radio cosmici inafferrabili, offrendo così una nuova speranza per la conferma dei segnali cosmici di 21 centimetri.  

L'esperimento radio per l'analisi dell'idrogeno cosmico (REACH) è un esperimento di 21 cm con la media del cielo. Questo mira a migliorare le osservazioni gestendo i problemi affrontati dagli strumenti relativi ai segnali sistematici residui nei dati. Si concentra sul rilevamento e sulla spiegazione congiunta della sistematica insieme ai primi piani e al segnale cosmologico utilizzando la statistica bayesiana. L'esperimento prevede osservazioni simultanee con due diverse antenne, un sistema a banda ultra larga (intervallo di spostamento verso il rosso da 7.5 a 28) e un calibratore ricevitore basato su misurazioni sul campo.  

Questo sviluppo è significativo dato il suo potenziale per essere uno dei migliori strumenti (e anche economicamente vantaggioso). spazioosservatori basati come James Webb) per lo studio dei primi universo così come la possibilità di introdurre una nuova fisica fondamentale.  

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Riferimenti:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): il primo osservatorio spaziale dedicato allo studio dell'universo primordiale. Scientifico Europeo. Pubblicato il 6 novembre 2021. Disponibile a 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 e Loeb A., 2012. Cosmologia di 21 cm nel 21° secolo. Reports on Progress in Physics 75 086901. Disponibile all'indirizzo https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint su arXiv disponibile all'indirizzo https://arxiv.org/abs/1109.6012  versione pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Università di Oxford. Filosofia della Cosmologia – 21 cm di sfondo. Disponibile a http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Un profilo di assorbimento centrato a 78 megahertz nello spettro medio del cielo. Natura 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Il radiometro REACH per rilevare il segnale di idrogeno di 21 cm dal redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Svelare i misteri dell'Universo neonato con il radiometro REACH. Disponibile in linea a  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

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