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

תצפית של 26 ס"מ רָדִיוֹ אותות, שנוצרו עקב מעבר היפר-דק של מימן קוסמי מציעים כלי חלופי לחקר מוקדם עוֹלָם. לגבי עידן נייטרלי של התינוק עוֹלָם כאשר לא נפלט אור, קווים של 26 ס"מ הם אולי רק חלון. עם זאת, אלה התחלפו לאדום רָדִיוֹ אותות שנפלט על ידי מימן קוסמי בתחילת הדרך עוֹלָם חלשים ביותר והיו חמקמקים עד כה. בשנת 2018, ניסוי EDGE דיווח על זיהוי של אותות של 26 ס"מ, אך לא ניתן לאשר את הממצאים באופן עצמאי. הנושא העיקרי היה שיטתי של המכשיר וזיהום עם האותות האחרים מהשמים. ניסוי REACH נועד להשתמש במתודולוגיה ייחודית כדי להתגבר על צוואר הבקבוק. יש לקוות שקבוצת מחקר זו תוכל לגלות באופן מהימן את האותות החמקמקים הללו בעתיד הקרוב. אם יצליח, ניסוי REACH עשוי להביא את 'אסטרונומיה רדיו 26 ס"מ' לקדמת הבמה בחקר מוקדם עוֹלָם ולעזור לנו רבות בפענוח המסתורין של מוקדם עוֹלָם. 

כשזה מגיע ללימוד של היקום המוקדם, שם הושק לאחרונה טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) צץ במוחנו. JWST, יורש של מצליחים מאוד האבל טלסקופ, הוא א שטח-מצפה אינפרא אדום מבוסס, המצויד ללכידת אותות אופטיים/אינפרא אדום מהכוכבים והגלקסיות המוקדמות שנוצרו ב- עולם זמן קצר לאחר המפץ הגדול¹. עם זאת, JWST יש מגבלה מסוימת עד כה לקליטת אותות מהתקופה הנייטרלית של היקום המוקדם מודאג.  

טבלה: תקופות בהיסטוריה של עוֹלָם מאז המפץ הגדול  

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

עד 380 אלף שנים לאחר המפץ הגדול, ה עוֹלָם היה מלא בגז מיונן והיה אטום לחלוטין. בין 380k - 400 מיליון שנים, ה עוֹלָם הפך להיות ניטרלי ושקוף. עידן היינון החל לאחר שלב זה החל 400 מיליון לאחר המפץ הגדול.  

בתקופה הנייטרלית של מוקדם עוֹלָם, כאשר עוֹלָם היה מלא בגזים ניטרליים והיה שקוף, לא נפלט אות אופטי (מכאן נקרא עידן אפל). חומר מאוגד אינו פולט אור. זה מציב אתגר בלימוד מוקדם עולם של עידן נייטרלי. עם זאת, קרינת מיקרוגל באורך גל של 21 ס"מ (המקביל ל-1420 מגה-הרץ) הנפלטת על ידי המימן הקוסמי הקר והנייטרלי במהלך תקופה זו כתוצאה ממעבר היפר-דק (מספין מקביל לספין אנטי-מקביל יציב יותר) מציעה הזדמנויות לחוקרים. קרינת מיקרוגל זו באורך 21 ס"מ תעבור הסטה לאדום בהגיעה לכדור הארץ ותיצפה בתדרים של 200 מגה-הרץ עד 10 מגה-הרץ כגלי רדיו^2,3.  

אסטרונומיה רדיו 21 ס"מ: תצפית על אותות מימן קוסמיים באורך 21 סנטימטר מציעה גישה חלופית לחקר מוקדם עוֹלָם במיוחד של שלב עידן נייטרלי שהיה חסר כל פליטת אור. זה יכול גם ליידע אותנו על פיזיקה חדשה כמו התפלגות החומר לאורך זמן, אנרגיה אפלה, חומר אפל, מסת ניטרינו ואינפלציה².  

עם זאת, האותות של 21 ס"מ הנפלטים על ידי המימן הקוסמי במהלך מוקדם עוֹלָם השלב הוא חמקמק. הוא צפוי להיות חלש ביותר (כפי מאה אלף חלש יותר מאותות רדיו אחרים הבוקעים גם הם מהשמים). כתוצאה מכך, גישה זו עדיין בחיתוליו.  

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.  

The Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) is a sky-averaged 21-cm experiment. This aims to improve observations by managing issues faced by instruments related to residual systematic signals in the data. It focusses on detecting and jointly explaining the systematics together with the foregrounds and the cosmological signal using Bayesian statistics. The לְנַסוֹת involves simultaneous observations with two different antennas, an ultra-wideband system (redshift range about 7.5 to 28) and a receiver calibrator based on in-field measurements.  

פיתוח זה משמעותי בהתחשב בפוטנציאל שלו להיות אחד הכלים הטובים ביותר (וגם חסכוני ביחס שטח-מצפה כוכבים כמו ג'יימס ווב) ללימוד מוקדם עוֹלָם כמו גם אפשרות להכנסת פיזיקה בסיסית חדשה.  

*** 

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 

***