دراسة الكون المبكر: تجربة REACH لاكتشاف خط بعيد المنال يبلغ طوله 21 سم من الهيدروجين الكوني 

مراقبة 26 سم راديو توفر الإشارات، التي تكونت نتيجة للانتقال فائق الدقة للهيدروجين الكوني، أداة بديلة للدراسة المبكرة الكون. أما بالنسبة للعصر الحيادي للرضيع الكون عندما لا ينبعث أي ضوء، ربما تكون خطوط 26 سم نافذة فقط. ومع ذلك، تحولت هذه إلى اللون الأحمر راديو الإشارات المنبعثة من الهيدروجين الكوني في وقت مبكر الكون ضعيفة للغاية وكانت بعيدة المنال حتى الآن. في عام 2018، أبلغت تجربة EDGE عن اكتشاف إشارات بحجم 26 سم، لكن لا يمكن تأكيد النتائج بشكل مستقل. كانت المشكلة الرئيسية هي النظام المنهجي للأداة والتلوث بالإشارات الأخرى القادمة من السماء. تهدف تجربة REACH إلى استخدام منهجية فريدة للتغلب على عنق الزجاجة. ومن المأمول أن تتمكن مجموعة البحث هذه بشكل موثوق من اكتشاف هذه الإشارات المراوغة في المستقبل القريب. إذا نجحت تجربة REACH، فقد تضع "علم الفلك الراديوي 26 سم" في المقدمة في الدراسات المبكرة. الكون ويساعدنا كثيرًا في كشف أسرار المبكر الكون. 

عندما يتعلق الأمر بدراسة الكون المبكر، اسم تم إطلاقه مؤخرًا تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ينبثق في أذهاننا. JWST، خليفة ناجح للغاية هابل التلسكوب، هو الفضاءمرصد يعمل بالأشعة تحت الحمراء ومجهز لالتقاط الإشارات الضوئية/الأشعة تحت الحمراء من النجوم والمجرات المبكرة التي تشكلت في الكون بعد وقت قصير من الانفجار الكبير¹. ومع ذلك، JWST لديه بعض القيود حتى الآن فيما يتعلق بالتقاط الإشارات من العصر المحايد الكون المبكر تشعر بالقلق.  

الجدول: العصور في تاريخ الكون منذ الانفجار الكبير  

(المصدر: فلسفة علم الكونيات - خلفية 21 سم. متوفر في http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

بعد ما يصل إلى 380 ألف سنة من الانفجار الكبير، الكون كانت مليئة بالغاز المتأين وكانت معتمة تمامًا. ما بين 380 ألفًا إلى 400 مليون سنة الكون أصبحت محايدة وشفافة. بدأت حقبة إعادة التأين بعد هذه المرحلة ابتداءً من 400 مليون بعد الانفجار الأعظم.  

خلال العصر المحايد في وقت مبكر الكون، عندما الكون كان مملوءًا بالغازات المحايدة وكان شفافًا، ولم تنبعث منه أي إشارة ضوئية (ومن هنا سمي بالعصر المظلم). المواد الموحدة لا تنبعث منها الضوء. وهذا يشكل تحديا في الدراسة في وقت مبكر الكون من العصر المحايد. ومع ذلك، فإن إشعاع الميكروويف بطول موجة 21 سم (الموافق 1420 ميجاهرتز) المنبعث من الهيدروجين الكوني البارد المحايد خلال هذه الحقبة نتيجة للانتقال فائق الدقة (من الدوران المتوازي إلى الدوران المضاد المتوازي الأكثر استقرارًا) يوفر فرصًا للباحثين. سيتم انزياح إشعاع الميكروويف البالغ طوله 21 سم إلى اللون الأحمر عند وصوله إلى الأرض وسيتم ملاحظته عند ترددات من 200 ميجا هرتز إلى 10 ميجا هرتز كموجات راديو^2,3.  

21 سم علم الفلك الراديوي: توفر مراقبة إشارات الهيدروجين الكونية التي يبلغ قطرها 21 سم طريقة بديلة للدراسة المبكرة الكون وخاصة مرحلة العصر المحايد الذي كان خاليا من أي انبعاث للضوء. يمكن أن يخبرنا هذا أيضًا عن الفيزياء الجديدة مثل توزيع المادة مع مرور الوقت، والطاقة المظلمة، والمادة المظلمة، وكتل النيوترينو، والتضخم².  

ومع ذلك، فإن الإشارات التي يبلغ طولها 21 سم تنبعث من الهيدروجين الكوني خلال وقت مبكر الكون المرحلة بعيدة المنال. ومن المتوقع أن تكون ضعيفة للغاية (أضعف بحوالي مائة ألف مرة من إشارات الراديو الأخرى المنبعثة أيضًا من السماء). ونتيجة لذلك، فإن هذا النهج لا يزال في مرحلة الطفولة.  

في عام 2018 ، أبلغ الباحثون عن اكتشاف مثل هذه الإشارة الراديوية بتردد 78 ميجاهرتز والتي كان ملفها الشخصي متوافقًا إلى حد كبير مع التوقعات للإشارة التي يبلغ قطرها 21 سنتيمترًا المنبعثة من الهيدروجين الكوني البدائي.⁴. لكن هذا الكشف عن إشارة الراديو الأولية التي يبلغ قطرها 21 سم لا يمكن تأكيدها بشكل مستقل ، وبالتالي لا يمكن إثبات موثوقية التجربة حتى الآن. يبدو أن المشكلة الرئيسية هي التلوث بإشارات الراديو الأمامية.  

آخر إنجاز هو تقرير التجربة الراديوية لتحليل الهيدروجين الكوني (REACH) في 21 يوليو 2022. ستستخدم REACH نهجًا تجريبيًا جديدًا للكشف عن هذه الإشارات الراديوية الكونية الضعيفة والمراوغة وبالتالي تقدم أملًا جديدًا لتأكيد الإشارات الكونية التي يبلغ قطرها 21 سم.  

التجربة الراديوية لتحليل الهيدروجين الكوني (REACH) هي تجربة يبلغ متوسطها السماء 21 سم. يهدف هذا إلى تحسين الملاحظات من خلال إدارة المشكلات التي تواجهها الأدوات المتعلقة بالإشارات المنهجية المتبقية في البيانات. يركز على الكشف عن النظاميات وشرحها بشكل مشترك مع المقدمات والإشارة الكونية باستخدام إحصائيات بايز. تتضمن التجربة ملاحظات متزامنة مع هوائيين مختلفين ، ونظام النطاق العريض للغاية (نطاق الانزياح الأحمر حوالي 7.5 إلى 28) ومعاير المستقبل على أساس القياسات الميدانية.  

يعد هذا التطور مهمًا نظرًا لقدرته على أن يكون أحد أفضل الأدوات (وفعال من حيث التكلفة أيضًا مقابل ذلك). الفضاء-المراصد القائمة مثل جيمس ويب) للدراسة في وقت مبكر الكون فضلا عن إمكانية الدخول في الفيزياء الأساسية الجديدة.  

*** 

المراجع:  

1. براساد يو ، 2021 ، تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST): أول مرصد فضائي مخصص لدراسة الكون المبكر. العلمية الأوروبية. تم النشر في 6 نوفمبر 2021. متاح في 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. علم الكونيات 21 سم في القرن الحادي والعشرين. تقارير عن التقدم في الفيزياء 21 75. متاح في https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. الطباعة المسبقة في arXiv متاح في https://arxiv.org/abs/1109.6012  نسخة PDF  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. جامعة أكسفورد. فلسفة علم الكونيات - خلفية 21 سم. متوفر عند http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. بومان ، ج. ، روجرز ، أ ، مونسالف ، آر وآخرون. ملف تعريف امتصاص متمركز عند 78 ميغا هرتز في الطيف المتوسط ​​السماء. Nature 555 ، 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo، E.، de Villiers، DIL، Razavi-Ghods، N. et al. مقياس إشعاع REACH لاكتشاف إشارة الهيدروجين 21 سم من الانزياح الأحمر z ≈ 7.5–28. نات أسترون (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. الكشف عن ألغاز الكون الرضيع باستخدام مقياس إشعاع REACH. متاح على الإنترنت على  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***