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

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

L'osservazione di segnali radio di 26 cm, formatisi a causa della transizione iperfine dell'idrogeno cosmico, offrono uno strumento alternativo allo studio dell'universo primordiale. Per quanto riguarda l'epoca neutra dell'universo neonato quando non veniva emessa luce, le linee di 26 cm sono forse solo una finestra. Tuttavia, questi segnali radio spostati verso il rosso emessi dall'idrogeno cosmico nell'universo primordiale sono estremamente deboli e finora sono stati elusivi. Nel 2018, l'esperimento EDGE ha riportato il rilevamento di segnali di 26 cm, ma i risultati non hanno potuto essere confermati in modo indipendente. Il problema principale era la sistematica strumentale e la contaminazione con gli altri segnali dal cielo. L'esperimento REACH consiste nell'utilizzare una metodologia unica per superare il collo di bottiglia. Si spera che questo gruppo di ricerca sarà in grado di rilevare in modo affidabile questi segnali elusivi nel prossimo futuro. In caso di successo, l'esperimento REACH potrebbe portare la "radioastronomia a 26 cm" in primo piano nello studio dell'universo primordiale e aiutarci molto a svelare i misteri dell'universo primordiale. 

Quando si tratta di studiare l'universo primordiale, ci viene in mente il nome del James Webb Space Telescope (JWST) lanciato di recente. JWST, successore del telescopio Hubble di enorme successo, è un osservatorio a infrarossi basato sullo spazio attrezzato per catturare segnali ottici/infrarossi dalle prime stelle e galassie formatesi nell'Universo subito dopo il Big Bang1. Tuttavia, JWST ha alcune limitazioni per quanto riguarda la raccolta di segnali dall'epoca neutrale dell'universo primordiale.  

Tabella: Epoche nella storia dell'universo dal Big Bang  

Tempo/fase dal Big Bang (in anni)  Epoch Eventi/caratteristiche chiave  
0 - 380,000 inflazione  Universo pieno di gas ionizzato e completamente opaco  
380,000 –400 milioni  Epoca neutrale  L'universo diventa neutro e trasparente; nessuna luce emessa perché gli atomi non erano ionizzati; Si formarono le prime stelle e strutture di fondo cosmico a microonde (CMB) disaccoppiato dal gas cosmico 400,000 anni dopo il Big Bang Freddo, atomi di idrogeno cosmico neutri emettevano radiazioni a microonde di lunghezza d'onda di 26 cm a causa della transizione iperfine. La linea dell'idrogeno cosmico di 26 cm spostata verso il rosso, se presa ora sulla Terra, potrebbe fornire informazioni sui primi miliardi di anni dell'Universo, un periodo in cui si sono formate le prime stelle e galassie, un periodo che è praticamente un mistero inosservato.  
400 milioni – 1 miliardo  Epoca della reionizzazione  Galassie e quaser iniziano a formarsi iniziando la reionizzazione  
I miliardi – 9 miliardi   Reionizzazione completata; 10% di opacità, le galassie si evolvono, l'energia oscura inizia ad accelerare l'espansione dello spazio 
9 miliardi   Forme del sistema solare  
13.8 miliardi   Presente  

(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 anni dopo il big bang, l'universo era pieno di gas ionizzato ed era completamente opaco. Tra 380 e 400 milioni di anni, l'universo era diventato neutrale e trasparente. L'epoca della reionizzazione è iniziata dopo questa fase a partire da 400 milioni dopo il big bang.  

Durante l'epoca neutra dell'universo primordiale, quando l'universo era pieno di gas neutri ed era trasparente, non veniva emesso alcun segnale ottico (da qui chiamato età oscura). Il materiale sindacato non emette luce. Ciò pone una sfida nello studio dell'Universo primordiale di epoca neutra. Tuttavia, la radiazione a microonde di 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 a spin antiparallelo più stabile) offre opportunità ai ricercatori. Questa radiazione a microonde di 21 cm verrebbe spostata verso il rosso al raggiungimento della Terra e sarà osservata a frequenze da 200 MHz a 10 MHz come onde radio2,3.  

Radioastronomia da 21 cm: L'osservazione di segnali di idrogeno cosmico di 21 centimetri offre un approccio alternativo allo studio dell'universo primordiale, in particolare della fase di epoca neutra che era priva di qualsiasi emissione di luce. 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'inflazione2.  

Tuttavia, i segnali di 21 cm emessi dall'idrogeno cosmico durante la fase dell'universo primordiale sono elusivi. Si prevede che sia estremamente debole (circa centomila volte più debole di altri segnali radio provenienti anche dal cielo). Di conseguenza, questo approccio è ancora agli inizi.  

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 degli strumenti migliori (e anche conveniente rispetto agli osservatori spaziali come James Webb) per lo studio dell'universo primordiale, nonché la possibilità di inaugurare una nuova fisica fondamentale.  

*** 

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 https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 
  1. 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 
  1. Università di Oxford. Filosofia della Cosmologia – 21 cm di sfondo. Disponibile a http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Caporedattore, Scientific European

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