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

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

Die Beobachtung von 26-cm-Radiosignalen, die durch den Hyperfeinübergang von kosmischem Wasserstoff entstehen, bietet ein alternatives Werkzeug zur Untersuchung des frühen Universums. Was die neutrale Epoche des Säuglingsuniversums betrifft, als kein Licht emittiert wurde, sind 26-cm-Linien vielleicht nur Fenster. Diese rotverschobenen Funksignale, die von kosmischem Wasserstoff im frühen Universum ausgesandt werden, sind jedoch extrem schwach und bisher schwer fassbar. Im Jahr 2018 berichtete das EDGE-Experiment über die Erkennung von 26-cm-Signalen, aber die Ergebnisse konnten nicht unabhängig bestätigt werden. Das Hauptproblem war die Instrumentensystematik und die Kontamination mit den anderen Signalen vom Himmel. Das REACH-Experiment soll eine einzigartige Methodik anwenden, um den Engpass zu überwinden. Es ist zu hoffen, dass diese Forschungsgruppe diese schwer fassbaren Signale in naher Zukunft zuverlässig nachweisen kann. Wenn das REACH-Experiment erfolgreich ist, kann es die „26-cm-Radioastronomie“ bei der Erforschung des frühen Universums an die Spitze bringen und uns bei der Enträtselung der Geheimnisse des frühen Universums sehr helfen. 

Wenn es um die Erforschung des frühen Universums geht, kommt uns der Name des kürzlich gestarteten James Webb Space Telescope (JWST) in den Sinn. JWST, ein Nachfolger des äußerst erfolgreichen Hubble-Teleskops, ist ein weltraumgestütztes Infrarot-Observatorium, das ausgestattet ist, um optische/infrarote Signale von den frühen Sternen und Galaxien zu erfassen, die kurz nach dem Urknall im Universum entstanden sind1. JWST hat jedoch einige Einschränkungen, was das Aufnehmen von Signalen aus der neutralen Epoche des frühen Universums betrifft.  

Tabelle: Epochen in der Geschichte des Universums seit dem Urknall  

Zeit/Phase seit dem Urknall (in Jahren)  Epoch Wichtige Ereignisse/Funktionen  
0 – 380,000  Inflation  Das Universum ist mit ionisiertem Gas gefüllt und vollständig undurchsichtig  
380,000 – 400 Millionen  Neutrale Epoche  Das Universum wird neutral und transparent; kein Licht emittiert, weil Atome nicht ionisiert wurden; Erste Sterne und Strukturen bildeten sich Kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB), der vom kosmischen Gas entkoppelt war 400,000 Jahre nach dem Urknall Kalte, neutrale kosmische Wasserstoffatome gaben aufgrund des Hyperfeinübergangs Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 26 cm ab. Die rotverschobene 26-cm-Linie des kosmischen Wasserstoffs könnte, wenn sie jetzt auf der Erde aufgenommen wird, Informationen über die ersten Milliarden Jahre des Universums liefern, eine Zeit, in der die ersten Sterne und Galaxien entstanden, eine Zeit, die praktisch ein unbeobachtetes Rätsel ist.  
400 Millionen – 1 Milliarde  Epoche der Reionisierung  Galaxien und Quaser beginnen sich zu bilden, beginnend mit einer Reionisation  
Ich Milliarde – 9 Milliarden   Reionisierung abgeschlossen; 10 % Opazität, Galaxien entwickeln sich, dunkle Energie beginnt, die Expansion des Weltraums zu beschleunigen 
9 Milliarden   Sonnensystem bildet  
13.8 Milliarden   Geschenk  

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

Während der neutralen Epoche des frühen Universums, als das Universum mit neutralen Gasen gefüllt und transparent war, wurde kein optisches Signal emittiert (daher dunkles Zeitalter genannt). Unionisiertes Material gibt kein Licht ab. Dies stellt eine Herausforderung bei der Untersuchung des frühen Universums der neutralen Epoche dar. Allerdings bietet die Mikrowellenstrahlung von 21 cm Wellenlänge (entsprechend 1420 MHz), die während dieser Epoche vom kalten, neutralen kosmischen Wasserstoff als Ergebnis des Hyperfeinübergangs (vom parallelen Spin zum stabileren antiparallelen Spin) emittiert wird, Möglichkeiten für die Forscher. Diese 21-cm-Mikrowellenstrahlung würde beim Erreichen der Erde rotverschoben und bei Frequenzen von 200 MHz bis 10 MHz als Radiowellen beobachtet werden2,3.  

21 cm Radioastronomie: Die Beobachtung von 21 Zentimeter großen kosmischen Wasserstoffsignalen bietet einen alternativen Ansatz zur Untersuchung des frühen Universums, insbesondere der neutralen Epochenphase, die frei von jeglicher Lichtemission war. Dies kann uns auch über neue Physik wie die zeitliche Verteilung von Materie, dunkle Energie, dunkle Materie, Neutrinomassen und Inflation informieren2.  

Die 21-cm-Signale, die der kosmische Wasserstoff während der frühen Phase des Universums aussendet, sind jedoch schwer fassbar. Es wird erwartet, dass es extrem schwach ist (etwa hunderttausendmal 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.  

Das Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) ist ein himmelgemitteltes 21-cm-Experiment. Dies zielt darauf ab, die Beobachtungen zu verbessern, indem Probleme behandelt werden, mit denen Instrumente im Zusammenhang mit verbleibenden systematischen Signalen in den Daten konfrontiert sind. Es konzentriert sich darauf, die Systematik zusammen mit den Vordergründen und dem kosmologischen Signal mithilfe der Bayes'schen Statistik zu erkennen und gemeinsam zu erklären. Das Experiment umfasst gleichzeitige Beobachtungen mit zwei verschiedenen Antennen, einem Ultrabreitbandsystem (Rotverschiebungsbereich etwa 7.5 bis 28) und einem Empfängerkalibrator, der auf Feldmessungen basiert.  

Diese Entwicklung ist bedeutsam angesichts ihres Potenzials, eines der besten Werkzeuge (und auch kostengünstig gegenüber weltraumgestützten Observatorien wie James Webb) für die Untersuchung des frühen Universums sowie die Möglichkeit der Einführung neuer grundlegender Physik zu sein.  

*** 

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 https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 
  1. 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 
  1. Universität Oxford. Philosophie der Kosmologie – 21 cm Hintergrund. Verfügbar um http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. 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 
  1. 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  
  1. Eloy de Lera Acedo 2022. Enthüllung der Geheimnisse des jungen Universums mit dem REACH-Radiometer. Online verfügbar unter  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Chefredakteur, Scientific European

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