מחקר על היקום המוקדם: ניסוי REACH לאיתור קו חמקמק באורך 21 ס"מ ממימן קוסמי 

Observation of 26 cm radio signals, formed due to hyperfine transition of cosmic hydrogen offer an alternative tool to the study of early עוֹלָם. As for neutral epoch of the infant עוֹלָם when no light was emitted, 26 cm lines are perhaps only window. However, these redshifted radio signals emitted by cosmic hydrogen in the early עוֹלָם 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 עוֹלָם and help us much in unravelling the mysteries of early עוֹלָם. 

When it comes to the study of היקום המוקדם, name of recently launched טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful האבל telescope, is a space-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the עולם soon after the Big Bang¹. עם זאת, JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of היקום המוקדם מודאג.  

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

(מקור: פילוסופיה של קוסמולוגיה – רקע 21 ס"מ. זמין ב http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Up to 380 k years after the big bang, the עוֹלָם was filled with ionised gas and was fully opaque. Between 380k – 400 million years, the עוֹלָם 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 עוֹלָם, כאשר עוֹלָם 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 עולם 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.  

אסטרונומיה רדיו 21 ס"מ: Observation of 21-centimeter cosmic hydrogen signals offers an alternative approach to the study of early עוֹלָם 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 עוֹלָם 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.  

בשנת 2018, חוקרים דיווחו על זיהוי של אות רדיו כזה בתדר של 78 מגה-הרץ שהפרופיל שלו תואם במידה רבה את הציפיות לאות 21 סנטימטר הנפלט על ידי המימן הקוסמי הקדמוני⁴. אבל איתור זה של אות רדיו קדמוני של 21 ס"מ לא ניתן לאשר באופן עצמאי ולכן לא ניתן היה לקבוע את מהימנות הניסוי עד כה. נראה שהבעיה העיקרית היא זיהום עם אותות הרדיו בחזית.  

אבן הדרך האחרונה היא הדו"ח של ניסוי רדיו לניתוח מימן קוסמי (REACH) ב-21 ביולי 2022. REACH תשתמש בגישה ניסויית חדשה כדי לזהות אותות רדיו קוסמיים חמקמקים אלו, ובכך מציעה תקווה חדשה לאישור של אותות קוסמיים של 21 סנטימטר.  

ניסוי הרדיו לניתוח מימן קוסמי (REACH) הוא ניסוי בממוצע של 21 ס"מ. מטרת זאת לשפר את התצפיות על ידי ניהול בעיות העומדות בפני מכשירים הקשורים לאותות שיטתיים שיוריים בנתונים. הוא מתמקד באיתור ובהסבר משותף של השיטתיות יחד עם החזיתות והאות הקוסמולוגי באמצעות סטטיסטיקה בייסיאנית. הניסוי כולל תצפיות בו-זמנית עם שתי אנטנות שונות, מערכת פס רחב במיוחד (טווח הסחה לאדום כ-7.5 עד 28) ומכייל מקלט המבוסס על מדידות בשטח.  

This development is significant given its potential to be one of the best tools (and cost effective too vis-a-vis space-based observatories like ג'יימס ווב) for study of early עוֹלָם as well as possibility of ushering in of new fundamental physics.  

*** 

הפניות:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): מצפה החלל הראשון המוקדש לחקר היקום המוקדם. אירופאי מדעי. פורסם ב-6 בנובמבר 2021. זמין ב 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 ס"מ קוסמולוגיה במאה ה-21. דוחות על התקדמות בפיזיקה 75 086901. זמין ב https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. הדפסה מוקדמת ב-arXiv זמינה ב https://arxiv.org/abs/1109.6012  גרסת PDF  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. אוניברסיטת אוקספורד. פילוסופיה של קוסמולוגיה - רקע 21 ס"מ. זמין ב http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. פרופיל ספיגה שמרכזו 78 מגה-הרץ בספקטרום ממוצע השמיים. טבע 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. מד הרדיו של REACH לזיהוי אות המימן של 21 ס"מ מהסטה לאדום z ≈ 7.5-28. נאט אסטרון (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. חשיפת תעלומות יקום התינוקות עם מד הרדיו של REACH. זמין באינטרנט ב  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***