Studie des frühen Universums: REACH-Experiment zum Nachweis der schwer fassbaren 21-cm-Linie von kosmischem Wasserstoff 

Beobachtung von 26 cm Radio Signale, die durch den Hyperfeinübergang des kosmischen Wasserstoffs entstehen, bieten ein alternatives Werkzeug zur Untersuchung früher Universum. Was die neutrale Epoche des Säuglings betrifft Universum Wenn kein Licht ausgestrahlt wurde, sind 26-cm-Linien möglicherweise nur Fenster. Allerdings sind diese rotverschoben Radio Signale, die der kosmische Wasserstoff in der Frühzeit aussendete Universum sind äußerst schwach und bisher schwer zu fassen. Im Jahr 2018 meldete das EDGE-Experiment die Entdeckung von 26-cm-Signalen, die Ergebnisse konnten jedoch nicht unabhängig bestätigt werden. Das Hauptproblem war die Instrumentensystematik und die Kontamination mit den anderen Signalen vom Himmel. Das REACH-Experiment soll mithilfe einer einzigartigen Methodik den Engpass überwinden. Es besteht die Hoffnung, dass diese Forschungsgruppe diese schwer fassbaren Signale in naher Zukunft zuverlässig erkennen kann. Bei Erfolg könnte das REACH-Experiment die „26-cm-Radioastronomie“ in den Vordergrund der Erforschung der Frühzeit rücken Universum und helfen uns sehr dabei, die Geheimnisse der Frühzeit zu lüften Universum. 

Wenn es um das Studium geht frühes Universum, Name des kürzlich gestarteten James Webb-Weltraumteleskop (JWST) taucht in unserem Kopf auf. JWST, ein Nachfolger von äußerst erfolgreich Hubble Teleskop, ist ein Raum-basiertes Infrarot-Observatorium, das zur Erfassung optischer/infraroter Signale der frühen Sterne und Galaxien ausgestattet ist Universum kurz nach dem Urknall¹. Jedoch JWST weist gewisse Einschränkungen hinsichtlich des Aufnehmens von Signalen aus der neutralen Epoche auf frühes Universum ist besorgt.  

Tabelle: Epochen in der Geschichte von Universum seit dem Urknall  

(Quelle: Philosophie der Kosmologie – 21 cm Hintergrund. Verfügbar unter http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Bis zu 380 Jahre nach dem Urknall Universum war mit ionisiertem Gas gefüllt und völlig undurchsichtig. Zwischen 380 und 400 Millionen Jahren Universum war neutral und transparent geworden. Nach dieser Phase begann 400 Millionen nach dem Urknall die Epoche der Reionisierung.  

Während der neutralen Epoche von früh Universum, wenn der Universum war mit neutralen Gasen gefüllt und transparent, es wurde kein optisches Signal ausgesendet (daher Dunkles Zeitalter genannt). Unionisiertes Material emittiert kein Licht. Dies stellt eine Herausforderung für das Studium der Frühzeit dar Universum der neutralen Epoche. Allerdings bietet die Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 21 cm (entsprechend 1420 MHz), die in dieser Epoche vom kalten, neutralen kosmischen Wasserstoff infolge des Hyperfeinübergangs (vom parallelen Spin zum stabileren antiparallelen Spin) emittiert wird, Chancen für Forscher. Diese 21-cm-Mikrowellenstrahlung würde beim Erreichen der Erde rotverschoben und bei Frequenzen von 200 MHz bis 10 MHz als Radiowellen beobachtet werden^2,3.  

21 cm Radioastronomie: Die Beobachtung von 21 Zentimeter großen kosmischen Wasserstoffsignalen bietet einen alternativen Ansatz zur Untersuchung früher Universum insbesondere der neutralen Epochenphase, die frei von jeglicher Lichtemission war. Dies kann uns auch über neue Physik informieren, etwa über die zeitliche Verteilung der Materie, dunkle Energie, dunkle Materie, Neutrinomassen und Inflation².  

Allerdings waren die 21-cm-Signale, die der kosmische Wasserstoff schon früh aussendete Universum Phase ist schwer fassbar. Es wird erwartet, dass es extrem schwach ist (etwa hunderttausend Mal schwächer als andere Funksignale, die ebenfalls vom Himmel ausgehen). Daher steckt dieser Ansatz noch in den Kinderschuhen.  

Im Jahr 2018 hatten Forscher über den Nachweis eines solchen Funksignals mit einer Frequenz von 78 MHz berichtet, dessen Profil weitgehend mit den Erwartungen für das 21-Zentimeter-Signal übereinstimmte, das vom ursprünglichen kosmischen Wasserstoff ausgesandt wurde⁴. Aber dieser Nachweis des ursprünglichen 21-cm-Funksignals konnte nicht unabhängig bestätigt werden, daher konnte die Zuverlässigkeit des Experiments bisher nicht festgestellt werden. Das Hauptproblem scheint die Kontamination mit den Funksignalen im Vordergrund zu sein.  

Der jüngste Meilenstein ist der Bericht des Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) vom 21. Juli 2022. REACH wird einen neuartigen experimentellen Ansatz verwenden, um diese schwachen, schwer fassbaren kosmischen Funksignale zu erkennen, und bietet somit eine neue Hoffnung auf die Bestätigung von 21-Zentimeter-kosmischen Signalen.  

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 Experiment 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.  

Diese Entwicklung ist bedeutsam, da sie das Potenzial hat, eines der besten Tools zu sein (und im Vergleich dazu auch kosteneffektiv). Raum-basierte Observatorien wie James Webb) zum Studium der frühen Universum sowie die Möglichkeit, eine neue Grundlagenphysik einzuführen.  

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References:  

1. Prasad U., 2021. James Webb Space Telescope (JWST): Das erste Weltraumobservatorium, das der Erforschung des frühen Universums gewidmet ist. Wissenschaftlicher Europäer. Gepostet am 6. November 2021. Verfügbar unter 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 und Loeb A., 2012. 21 cm Kosmologie im 21. Jahrhundert. Reports on Progress in Physics 75 086901. Verfügbar unter https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Vorabdruck bei arXiv verfügbar unter https://arxiv.org/abs/1109.6012  PDF-Version  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Universität Oxford. Philosophie der Kosmologie – 21 cm Hintergrund. Verfügbar um http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Ein Absorptionsprofil, das bei 78 Megahertz im himmelgemittelten Spektrum zentriert ist. Natur 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Das REACH-Radiometer zur Detektion des 21-cm-Wasserstoffsignals ab Rotverschiebung z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Enthüllung der Geheimnisse des jungen Universums mit dem REACH-Radiometer. Online verfügbar unter  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

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