ადრეული სამყაროს შესწავლა: REACH ექსპერიმენტი კოსმოსური წყალბადის 21 სმ-იანი ხაზის აღმოსაჩენად 

დაკვირვება 26 სმ რადიო კოსმოსური წყალბადის ჰიპერწვრილი გადასვლის შედეგად წარმოქმნილი სიგნალები გვთავაზობენ ადრეული კვლევის ალტერნატიულ ინსტრუმენტს სამყარო. რაც შეეხება ჩვილის ნეიტრალურ ეპოქას სამყარო როდესაც სინათლე არ იყო გამოსხივებული, 26 სმ ხაზები ალბათ მხოლოდ ფანჯარაა. თუმცა, ეს წითლად გადავიდა რადიო ადრეულ პერიოდში კოსმოსური წყალბადის მიერ გამოსხივებული სიგნალები სამყარო ისინი უკიდურესად სუსტნი არიან და აქამდე მიუწვდომელნი იყვნენ. 2018 წელს EDGE ექსპერიმენტმა აჩვენა 26 სმ სიგნალის აღმოჩენა, მაგრამ დასკვნები დამოუკიდებლად ვერ დადასტურდა. მთავარი საკითხი იყო ინსტრუმენტული სისტემატიური და ციდან სხვა სიგნალებით დაბინძურება. REACH-ის ექსპერიმენტი წარმოადგენს უნიკალური მეთოდოლოგიის გამოყენებას ბოსტნის დასაძლევად. ვიმედოვნებთ, რომ ეს კვლევითი ჯგუფი საიმედოდ შეძლებს ამ გაუგებარი სიგნალების აღმოჩენას უახლოეს მომავალში. წარმატების შემთხვევაში, REACH Experiment-მა შესაძლოა „26 სმ რადიო ასტრონომია“ წინა პლანზე წამოიწიოს ადრეული კვლევების დროს. სამყარო და დაგვეხმარება ადრეული პერიოდის საიდუმლოებების ამოხსნაში სამყარო. 

როცა საქმე ეხება შესწავლას ადრეული სამყარო, სახელწოდება ახლახან გაშვებული ჯეიმს ვების კოსმოსური ტელესკოპი (JWST) ჩნდება ჩვენს გონებაში. JWST, ძალიან წარმატებულის მემკვიდრე Hubble ტელესკოპი, არის ა სივრცეში- დაფუძნებული, ინფრაწითელი ობსერვატორია, რომელიც აღჭურვილია ადრეული ვარსკვლავებისა და გალაქტიკების ოპტიკური/ინფრაწითელი სიგნალების გადასაღებად. სამყარო დიდი აფეთქების შემდეგ მალევე¹. თუმცა, JWST აქვს გარკვეული შეზღუდვები, რამდენადაც სიგნალების მიღება ნეიტრალური ეპოქიდან ადრეული სამყარო შეწუხებულია.  

ცხრილი: ეპოქები ისტორიაში სამყარო დიდი აფეთქების შემდეგ  

(წყარო: კოსმოლოგიის ფილოსოფია – 21 სმ ფონი. ხელმისაწვდომია http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

დიდი აფეთქებიდან 380 კ წლამდე სამყარო სავსე იყო იონიზირებული გაზით და იყო სრულიად გაუმჭვირვალე. 380 ათასიდან 400 მილიონ წლამდე, სამყარო გახდა ნეიტრალური და გამჭვირვალე. რეიონიზაციის ეპოქა დაიწყო ამ ფაზის შემდეგ და დაიწყო დიდი აფეთქების შემდეგ 400 მილიონი.  

ადრეული ნეიტრალური ეპოქის დროს სამყარო, როდესაც სამყარო ივსებოდა ნეიტრალური აირებით და იყო გამჭვირვალე, არ გამოდიოდა ოპტიკური სიგნალი (აქედან გამომდინარე ეწოდა ბნელ ხანას). გაერთიანებული მასალა არ ასხივებს სინათლეს. ეს გამოწვევას უქმნის ადრეულ შესწავლას სამყარო ნეიტრალური ეპოქის. თუმცა, 21 სმ ტალღის სიგრძის მიკროტალღური გამოსხივება (შეესაბამება 1420 MHz) ამ ეპოქაში ცივი, ნეიტრალური კოსმოსური წყალბადის მიერ გამოსხივებული ჰიპერწვრილი გადასვლის შედეგად (პარალელური სპინიდან უფრო სტაბილურ ანტიპარალელურ სპინამდე) შესაძლებლობებს სთავაზობს მკვლევარებს. ეს 21 სმ მიკროტალღური გამოსხივება დედამიწამდე მისვლისას წითლად გადაინაცვლებს და 200 MHz-დან 10 MHz-მდე სიხშირეზე რადიოტალღების სახით იქნება დაკვირვებული.^2,3.  

21 სმ რადიო ასტრონომია: 21 სანტიმეტრიანი კოსმოსური წყალბადის სიგნალების დაკვირვება გვთავაზობს ადრეული კვლევის ალტერნატიულ მიდგომას სამყარო განსაკუთრებით ნეიტრალური ეპოქის ფაზაში, რომელიც მოკლებული იყო სინათლის გამოსხივებას. ამან ასევე შეიძლება გვაცნობოს ახალი ფიზიკის შესახებ, როგორიცაა მატერიის განაწილება დროში, ბნელი ენერგია, ბნელი მატერია, ნეიტრინო მასები და ინფლაცია.².  

თუმცა, ადრეულ პერიოდში კოსმოსური წყალბადის მიერ გამოსხივებული 21-სმ სიგნალები სამყარო ფაზა მიუწვდომელია. მოსალოდნელია, რომ ის უკიდურესად სუსტი იქნება (დაახლოებით ასი ათასი ჯერ უფრო სუსტი, ვიდრე სხვა რადიოსიგნალები, რომლებიც ასევე ციდან მოდის). შედეგად, ეს მიდგომა ჯერ კიდევ ჩვილებშია.  

2018 წელს მკვლევარებმა განაცხადეს ასეთი რადიოსიგნალის აღმოჩენის შესახებ 78 MHz სიხშირეზე, რომლის პროფილი დიდწილად შეესაბამებოდა პირველყოფილი კოსმოსური წყალბადის მიერ გამოსხივებული 21 სანტიმეტრიანი სიგნალის მოლოდინს.⁴. მაგრამ პირველადი 21 სმ-იანი რადიოსიგნალის ეს აღმოჩენა დამოუკიდებლად ვერ დადასტურდა, ამიტომ ექსპერიმენტის სანდოობა ჯერჯერობით ვერ დადგინდა. მთავარი პრობლემა, როგორც ჩანს, არის დაბინძურება წინა პლანზე რადიოსიგნალებით.  

უახლესი ეტაპი არის რადიო ექსპერიმენტის ანგარიში კოსმოსური წყალბადის ანალიზისთვის (REACH) 21 წლის 2022 ივლისს. REACH გამოიყენებს ახალ ექსპერიმენტულ მიდგომას ამ სუსტი გაუგებარი კოსმოსური რადიოსიგნალების აღმოსაჩენად, რითაც ახალ იმედს შესთავაზებს 21 სანტიმეტრიანი კოსმოსური სიგნალების დადასტურებას.  

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 ექსპერიმენტი 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.  

ეს განვითარება მნიშვნელოვანია, თუ გავითვალისწინებთ მის პოტენციალს, იყოს ერთ-ერთი საუკეთესო ინსტრუმენტი (და საკმაოდ ეფექტურიც სივრცეში-დაფუძნებული ობსერვატორიები, როგორიცაა ჯეიმს ვები) ადრეული შესასწავლად სამყარო ასევე ახალი ფუნდამენტური ფიზიკის შემოღების შესაძლებლობა.  

*** 

წყაროები:  

1. Prasad U., 2021. ჯეიმს უების კოსმოსური ტელესკოპი (JWST): პირველი კოსმოსური ობსერვატორია, რომელიც ეძღვნება ადრეული სამყაროს შესწავლას. სამეცნიერო ევროპული. გამოქვეყნებულია 6 წლის 2021 ნოემბერს. ხელმისაწვდომია მისამართზე 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. 21 სმ კოსმოლოგია 21-ე საუკუნეში. ანგარიშები ფიზიკაში პროგრესის შესახებ 75 086901. ხელმისაწვდომია მისამართზე https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. წინასწარი ბეჭდვა arXiv-ზე ხელმისაწვდომია მისამართზე https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf ვერსია  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. ოქსფორდის უნივერსიტეტი. კოსმოლოგიის ფილოსოფია – 21 სმ ფონი. ხელმისაწვდომია http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. შთანთქმის პროფილი ცენტრირებულია 78 მეგაჰერცზე ცის საშუალო სპექტრში. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. REACH რადიომეტრი 21 სმ წყალბადის სიგნალის აღმოსაჩენად წითელ გადაადგილებიდან z ≈ 7.5–28. ნატ ასტრონი (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. ახალშობილთა სამყაროს საიდუმლოებების გამოვლენა REACH რადიომეტრით. ხელმისაწვდომია ონლაინ მისამართზე  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***