يُتيح رصد إشارات الراديو عند طول موجة 26 سم ، الناتجة عن الانتقال فائق الدقة للهيدروجين الكوني، أداةً بديلةً لدراسة الكون المبكر . ففي الحقبة المحايدة للكون الوليد، حين لم يكن يُصدر أي ضوء، تُعدّ خطوط 26 سم ربما النافذة الوحيدة المتاحة. مع ذلك، فإنّ هذه الإشارات الراديوية المُزاحة نحو الأحمر، والمنبعثة من الهيدروجين الكوني في الكون المبكر، ضعيفة للغاية، وظلت عصيةً على الرصد حتى الآن. في عام 2018، أبلغت تجربة EDGE عن رصد إشارات 26 سم، لكن لم يُمكن تأكيد النتائج بشكل مستقل. تمثّلت المشكلة الرئيسية في خلل في الجهاز وتداخل الإشارات مع إشارات أخرى من السماء. تهدف تجربة REACH إلى استخدام منهجية فريدة لتجاوز هذه العقبة. ويُؤمل أن يتمكّن هذا الفريق البحثي من رصد هذه الإشارات المراوغة بدقة في المستقبل القريب. إذا تكللت التجربة بالنجاح، فقد تُسهم في وضع "علم الفلك الراديوي عند طول موجة 26 سم" في طليعة دراسة الكون المبكر ، وتُساعدنا بشكل كبير في كشف أسراره.
عند الحديث عن دراسة الكون المبكر ، يتبادر إلى أذهاننا اسم تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) الذي أُطلق مؤخرًا. يُعدّ JWST ، خليفة تلسكوب هابل الناجح للغاية ، مرصدًا فضائيًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء، ومجهزًا لالتقاط الإشارات الضوئية والأشعة تحت الحمراء من النجوم والمجرات المبكرة التي تشكلت في الكون بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة . مع ذلك، يواجه JWST بعض القيود فيما يتعلق برصد الإشارات من الحقبة المحايدة للكون المبكر.
جدول: حقب في تاريخ الكون منذ الانفجار العظيم
(المصدر: فلسفة علم الكونيات - خلفية 21 سم. متوفرة على الرابط التالي: http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
حتى 380 ألف سنة بعد الانفجار العظيم، كان الكون مليئًا بالغاز المتأين وكان معتمًا تمامًا. وبين 380 ألف و400 مليون سنة، أصبح الكون متعادلًا وشفافًا. وبدأت حقبة إعادة التأين بعد هذه المرحلة، أي بعد 400 مليون سنة من الانفجار العظيم.
خلال الحقبة المحايدة من الكون المبكر ، عندما كان الكون مليئًا بالغازات المتعادلة وشفافًا، لم تُصدر أي إشارة ضوئية (لذا سُميت بالعصر المظلم). لا تُصدر المواد غير المتأينة ضوءًا. يُشكل هذا تحديًا في دراسة الكون المبكر خلال الحقبة المحايدة. مع ذلك، يُتيح إشعاع الميكروويف بطول موجة 21 سم (الموافق لتردد 1420 ميجاهرتز) المنبعث من الهيدروجين الكوني البارد والمتعادل خلال هذه الحقبة نتيجةً للانتقال فائق الدقة (من الدوران المتوازي إلى الدوران المضاد للتوازي الأكثر استقرارًا) فرصًا للباحثين. سيتعرض إشعاع الميكروويف هذا لانزياح نحو الأحمر عند وصوله إلى الأرض ، وسيُرصد بترددات تتراوح بين 200 ميجاهرتز و10 ميجاهرتز كموجات راديوية.
علم الفلك الراديوي عند طول موجة 21 سم: يوفر رصد إشارات الهيدروجين الكوني عند طول موجة 21 سم منهجًا بديلًا لدراسة الكون المبكر ، وخاصة مرحلة الحقبة المحايدة التي كانت خالية من أي انبعاث ضوئي. ويمكن أن يُسهم هذا أيضًا في فهم فيزياء جديدة، مثل توزيع المادة عبر الزمن، والطاقة المظلمة، والمادة المظلمة، وكتل النيوترينو، والتضخم الكوني.
مع ذلك، لا تزال إشارات الهيدروجين الكوني المنبعثة خلال المراحل المبكرة للكون، والتي يبلغ طولها 21 سم، عصية على الرصد. ومن المتوقع أن تكون هذه الإشارات ضعيفة للغاية (أضعف بنحو مئة ألف مرة من إشارات الراديو الأخرى المنبعثة من السماء). ونتيجة لذلك، لا يزال هذا النهج في مراحله الأولى.
في عام 2018، أفاد باحثون برصد إشارة راديوية بتردد 78 ميجاهرتز، وكان شكلها متوافقًا إلى حد كبير مع التوقعات لإشارة 21 سنتيمترًا المنبعثة من الهيدروجين الكوني البدائي . إلا أنه لم يتسنَّ تأكيد هذا الرصد لإشارة 21 سنتيمترًا بشكل مستقل، وبالتالي لم يتسنَّ تحديد موثوقية التجربة حتى الآن. ويبدو أن المشكلة الرئيسية تكمن في تداخل الإشارات الراديوية 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.
تجربة الراديو لتحليل الهيدروجين الكوني (REACH) هي تجربة تعتمد على قياسات متوسطة للسماء عند طول موجي 21 سم. تهدف هذه التجربة إلى تحسين عمليات الرصد من خلال معالجة المشكلات التي تواجهها الأجهزة والمتعلقة بالإشارات النظامية المتبقية في البيانات. وتركز على رصد هذه الإشارات النظامية وتفسيرها بشكل مشترك مع إشارات الخلفية والإشارة الكونية باستخدام الإحصاءات البايزية. تتضمن التجربة عمليات رصد متزامنة باستخدام هوائيين مختلفين، ونظام نطاق ترددي فائق الاتساع (نطاق الانزياح الأحمر من 7.5 إلى 28 تقريبًا)، ومعاير استقبال يعتمد على قياسات ميدانية.
يُعد هذا التطور مهماً نظراً لإمكانية أن يكون أحد أفضل الأدوات (وفعال من حيث التكلفة أيضاً مقارنة بالمراصد الفضائية مثل جيمس ويب ) لدراسة الكون المبكر فضلاً عن إمكانية ظهور فيزياء أساسية جديدة.
***
المراجع:
- 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/
- 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
- جامعة أكسفورد. فلسفة علم الكونيات - خلفية 21 سم. متوفر عند http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- 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
- 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
- Eloy de Lera Acedo 2022. الكشف عن ألغاز الكون الرضيع باستخدام مقياس إشعاع REACH. متاح على الإنترنت على https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
***
