Nghiên cứu về vũ trụ sơ khai: Thí nghiệm REACH để phát hiện đường 21 cm khó nắm bắt từ Hydrogen trong vũ trụ 

Quan sát 26 cm radio các tín hiệu được hình thành do quá trình chuyển đổi siêu mịn của hydro vũ trụ cung cấp một công cụ thay thế cho việc nghiên cứu các hiện tượng ban đầu vũ trụ. Đối với giai đoạn trung tính của trẻ sơ sinh vũ trụ khi không có ánh sáng phát ra, những đường 26 cm có lẽ chỉ là cửa sổ. Tuy nhiên, những dịch chuyển đỏ này radio tín hiệu phát ra từ hydro vũ trụ vào thời kỳ đầu vũ trụ là cực kỳ yếu đuối và khó nắm bắt cho đến nay. Năm 2018, thí nghiệm EDGE đã báo cáo việc phát hiện tín hiệu 26 cm nhưng kết quả này không thể được xác nhận một cách độc lập. Vấn đề chính là hệ thống thiết bị và sự nhiễm bẩn các tín hiệu khác từ bầu trời. Thí nghiệm REACH sử dụng phương pháp độc đáo để khắc phục nút cổ chai. Người ta hy vọng rằng nhóm nghiên cứu này sẽ có thể phát hiện những tín hiệu khó nắm bắt này một cách đáng tin cậy trong tương lai gần. Nếu thành công, Thí nghiệm REACH có thể đưa 'thiên văn học vô tuyến 26 cm' lên hàng đầu trong nghiên cứu về thiên văn ban đầu vũ trụ và giúp chúng ta rất nhiều trong việc làm sáng tỏ những bí ẩn về thời kỳ đầu vũ trụ. 

Khi nói đến việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai, tên của sản phẩm mới ra mắt gần đây Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) hiện lên trong tâm trí chúng ta. JWST, người kế thừa thành công rực rỡ Hubble kính thiên văn, là một không gianđài quan sát hồng ngoại được trang bị để thu các tín hiệu quang học/hồng ngoại từ các ngôi sao và thiên hà đầu tiên được hình thành trong Vũ trụ ngay sau vụ nổ lớn¹. Tuy nhiên, JWST có một số hạn chế trong việc thu tín hiệu từ thời điểm trung tính của vũ trụ sơ khai là có liên quan.  

Bảng: Các thời đại trong lịch sử vũ trụ kể từ vụ nổ lớn  

(Nguồn: Triết học Vũ trụ học - Nền 21 cm. Có tại http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Cho tới 380 nghìn năm sau vụ nổ lớn, vũ trụ chứa đầy khí ion hóa và hoàn toàn mờ đục. Giữa 380k – 400 triệu năm, vũ trụ đã trở nên trung lập và minh bạch. Kỷ nguyên tái ion hóa bắt đầu sau giai đoạn này bắt đầu từ 400 triệu sau vụ nổ lớn.  

Trong thời kỳ trung lập đầu vũ trụ, khi mà vũ trụ chứa đầy khí trung tính và trong suốt, không phát ra tín hiệu quang học (do đó gọi là thời kỳ tối). Vật liệu hợp nhất không phát ra ánh sáng. Điều này đặt ra một thách thức trong việc nghiên cứu sớm Vũ trụ của thời đại trung tính. Tuy nhiên, bức xạ vi sóng có bước sóng 21 cm (tương ứng với 1420 MHz) phát ra từ hydro vũ trụ trung tính, lạnh lẽo trong kỷ nguyên này do sự chuyển đổi siêu tinh tế (từ spin song song sang spin phản song song ổn định hơn) mang đến cơ hội cho các nhà nghiên cứu. Bức xạ vi sóng 21 cm này sẽ bị dịch chuyển đỏ khi đến Trái đất và sẽ được quan sát ở tần số 200 MHz đến 10 MHz dưới dạng sóng vô tuyến^2,3.  

Thiên văn học vô tuyến 21 cm: Việc quan sát tín hiệu hydro vũ trụ 21 cm đưa ra một cách tiếp cận khác cho nghiên cứu về thời kỳ đầu vũ trụ đặc biệt là pha kỷ nguyên trung tính không có bất kỳ sự phát xạ ánh sáng nào. Điều này cũng có thể cho chúng ta biết về vật lý mới như sự phân bố vật chất theo thời gian, năng lượng tối, vật chất tối, khối lượng neutrino và lạm phát.².  

Tuy nhiên, các tín hiệu 21 cm phát ra từ hydro vũ trụ trong thời kỳ đầu vũ trụ giai đoạn khó nắm bắt. Dự kiến ​​nó sẽ cực kỳ yếu (yếu hơn khoảng một trăm nghìn lần so với các tín hiệu vô tuyến khác cũng phát ra từ bầu trời). Kết quả là, cách tiếp cận này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai.  

Vào năm 2018, các nhà nghiên cứu đã báo cáo việc phát hiện một tín hiệu vô tuyến như vậy ở tần số 78 MHz có cấu hình phần lớn phù hợp với kỳ vọng đối với tín hiệu 21 cm do hydro vũ trụ nguyên thủy phát ra.⁴. Nhưng việc phát hiện ra tín hiệu vô tuyến 21 cm ban đầu này không thể được xác nhận một cách độc lập do đó độ tin cậy của thí nghiệm không thể được thiết lập cho đến nay. Vấn đề chính dường như là bị nhiễm tín hiệu vô tuyến tiền cảnh.  

Mốc quan trọng mới nhất là báo cáo Thí nghiệm vô tuyến để Phân tích Hydro trong Vũ trụ (REACH) vào ngày 21 tháng 2022 năm 21. REACH sẽ sử dụng phương pháp thử nghiệm mới để phát hiện những tín hiệu vô tuyến vũ trụ yếu ớt khó nắm bắt này, do đó mang lại hy vọng mới cho việc xác nhận tín hiệu vũ trụ XNUMX cm.  

Thí nghiệm vô tuyến để phân tích hydro vũ trụ (REACH) là một thí nghiệm có chiều dài trung bình trên bầu trời là 21 cm. Điều này nhằm mục đích cải thiện khả năng quan sát bằng cách quản lý các vấn đề mà các công cụ gặp phải liên quan đến tín hiệu hệ thống còn sót lại trong dữ liệu. Nó tập trung vào việc phát hiện và cùng giải thích hệ thống cùng với tiền cảnh và tín hiệu vũ trụ bằng cách sử dụng thống kê Bayesian. Các thử nghiệm bao gồm các quan sát đồng thời với hai ăng-ten khác nhau, một hệ thống băng tần siêu rộng (phạm vi dịch chuyển đỏ khoảng 7.5 đến 28) và bộ hiệu chuẩn máy thu dựa trên các phép đo tại hiện trường.  

Sự phát triển này rất có ý nghĩa vì nó có tiềm năng trở thành một trong những công cụ tốt nhất (và cũng hiệu quả về mặt chi phí). không giandựa trên các đài quan sát như james webb) để nghiên cứu sớm vũ trụ cũng như khả năng mở ra nền vật lý cơ bản mới.  

*** 

Tài liệu tham khảo:  

1. Prasad U., 2021. Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST): Đài quan sát không gian đầu tiên dành riêng cho việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Khoa học Châu Âu. Đăng ngày 6 tháng 2021 năm XNUMX. Có tại 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 và Loeb A., 2012. Vũ trụ học 21 cm trong thế kỷ 21. Báo cáo về Tiến bộ trong Vật lý 75 086901. Có tại https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. In sẵn tại arXiv có sẵn tại https://arxiv.org/abs/1109.6012  phiên bản pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Đại học Oxford. Triết học Vũ trụ học - Nền 21 cm. Có sẵn tại http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Một cấu hình hấp thụ có tâm ở 78 megahertz trong quang phổ trung bình trên bầu trời. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Máy đo bức xạ REACH để phát hiện tín hiệu hydro 21 cm từ độ lệch đỏ z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Tiết lộ những bí ẩn của Vũ trụ sơ sinh với máy đo bức xạ REACH. Có sẵn trực tuyến tại  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***