Utafiti wa Ulimwengu wa Mapema: Jaribio la REACH la kugundua laini ya sentimita 21 kutoka kwa Cosmic Hydrojeni. 

Uchunguzi wa 26 cm redio ishara, sumu kutokana na mpito hyperfine ya hidrojeni cosmic kutoa chombo mbadala kwa utafiti wa mapema ulimwengu. Kuhusu enzi ya kutokujali ya mtoto mchanga ulimwengu wakati hakuna mwanga ulitolewa, mistari 26 cm labda ni dirisha tu. Hata hivyo, hizi redshifted redio ishara zinazotolewa na hidrojeni ya cosmic mapema ulimwengu ni dhaifu sana na wamekuwa wakiotea mbali hadi sasa. Mnamo mwaka wa 2018, jaribio la EDGE liliripoti kugunduliwa kwa ishara za sentimita 26 lakini matokeo hayakuweza kuthibitishwa kivyake. Suala kuu lilikuwa utaratibu wa chombo na kuchafuliwa na ishara zingine kutoka angani. Jaribio la REACH ni kutumia mbinu ya kipekee ili kuondokana na tatizo hilo. Inatarajiwa kuwa kikundi hiki cha utafiti kitaweza kugundua ishara hizi ambazo hazijaeleweka katika siku za usoni. Ikifaulu, Jaribio la REACH linaweza kuleta 'unajimu wa redio wa cm 26' katika mstari wa mbele katika utafiti wa mapema. ulimwengu na kutusaidia sana katika kutegua mafumbo ya mapema ulimwengu. 

Linapokuja suala la utafiti wa ulimwengu wa mapema, jina lililozinduliwa hivi karibuni Darubini ya Anga ya James Webb (JWST) yanaibuka akilini mwetu. JWST, mrithi wa mafanikio makubwa Hubble darubini, ni a nafasi-Kituo cha uchunguzi cha infrared kilicho na vifaa vya kunasa mawimbi ya macho/infrared kutoka kwa nyota za mwanzo na galaksi zinazoundwa kwenye Ulimwengu mara baada ya Big Bang¹. Hata hivyo, JWST ina vizuizi fulani hadi sasa kama kuchukua ishara kutoka kwa enzi ya upande wowote wa ulimwengu wa mapema anahusika.  

Jedwali: Nyakati katika historia ya ulimwengu tangu Big Bang  

(Chanzo: Falsafa ya Kosmolojia - usuli wa sentimita 21. Inapatikana kwa http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Hadi miaka 380 k baada ya mlipuko mkubwa ulimwengu ilijazwa na gesi ya ioni na ilikuwa wazi kabisa. Kati ya miaka 380k-400 milioni ulimwengu imekuwa ya upande wowote na uwazi. Enzi ya reionization ilianza baada ya awamu hii kuanzia milioni 400 baada ya mlipuko mkubwa.  

Wakati wa enzi ya upande wowote wa mapema ulimwengu, wakati ulimwengu ilijazwa na gesi zisizo na upande na ilikuwa ya uwazi, hakuna ishara ya macho iliyotolewa (kwa hiyo inaitwa umri wa giza). Nyenzo za umoja hazitoi mwanga. Hii inaleta changamoto katika kusoma mapema Ulimwengu enzi ya upande wowote. Hata hivyo, mionzi ya microwave ya urefu wa mawimbi ya sm 21 (inayolingana na 1420 MHz) inayotolewa na hidrojeni baridi, isiyo na upande wowote ya ulimwengu wakati wa enzi hii kama matokeo ya mpito wa hyperfine (kutoka mzunguko wa sambamba hadi mzunguko thabiti zaidi wa kupambana na sambamba) hutoa fursa kwa watafiti. Mionzi hii ya microwave ya sentimita 21 itabadilishwa kuwa nyekundu inapofika Duniani na itazingatiwa katika masafa ya 200MHz hadi 10 MHz kama mawimbi ya redio.^2,3.  

21 cm unajimu wa redio: Uchunguzi wa ishara za hidrojeni za cosmic za sentimita 21 hutoa mbinu mbadala ya utafiti wa mapema. ulimwengu haswa ya awamu ya enzi ya upande wowote ambayo haikuwa na utoaji wowote wa mwanga. Hii inaweza pia kutufahamisha kuhusu fizikia mpya kama vile usambazaji wa maada kwa wakati, nishati ya giza, jambo lenye giza, wingi wa neutrino, na mfumuko wa bei.².  

Hata hivyo, ishara za 21-cm zinazotolewa na hidrojeni ya cosmic wakati wa mapema ulimwengu awamu ni ngumu. Inatarajiwa kuwa dhaifu sana (takriban mara laki moja dhaifu kuliko mawimbi mengine ya redio pia yanayotoka angani). Matokeo yake, mbinu hii bado ni changa.  

Mnamo mwaka wa 2018, watafiti walikuwa wameripoti kugunduliwa kwa ishara kama hiyo ya redio kwa masafa ya 78 MHz ambayo wasifu wake ulikuwa sawa na matarajio ya ishara ya sentimita 21 iliyotolewa na hidrojeni ya kwanza ya ulimwengu.⁴. Lakini ugunduzi huu wa mawimbi ya awali ya redio ya 21-cm haukuweza kuthibitishwa kwa kujitegemea kwa hivyo kuegemea kwa jaribio hakuweza kuthibitishwa hadi sasa. Suala kuu linaonekana kuwa uchafuzi na mawimbi ya redio ya mbele.  

Hatua ya hivi punde ni ripoti ya Majaribio ya Redio ya Uchambuzi wa Hydrojeni ya Cosmic (REACH) mnamo tarehe 21 Julai 2022. REACH itatumia mbinu mpya ya majaribio ili kugundua mawimbi haya ya redio ya angavu ambayo hayawezi kuepukika na hivyo kutoa tumaini jipya la uthibitisho wa mawimbi ya anga ya sentimeta 21.  

Majaribio ya Redio ya Uchambuzi wa Haidrojeni ya Cosmic (REACH) ni jaribio la wastani la 21-cm. Hii inalenga kuboresha uchunguzi kwa kudhibiti masuala yanayokabili zana zinazohusiana na mabaki ya mawimbi ya utaratibu katika data. Inalenga katika kugundua na kuelezea kwa pamoja taratibu pamoja na mandhari ya mbele na mawimbi ya ulimwengu kwa kutumia takwimu za Bayesian. The majaribio inahusisha uchunguzi wa wakati mmoja na antena mbili tofauti, mfumo wa utepe-pana zaidi (safa ya redshift takriban 7.5 hadi 28) na kirekebisha kipokezi kulingana na vipimo vya ndani.  

Ukuzaji huu ni muhimu kwa kuzingatia uwezo wake wa kuwa moja ya zana bora (na gharama nafuu pia vis-a-vis nafasi-msingi wa uchunguzi kama James webb) kwa masomo ya mapema ulimwengu pamoja na uwezekano wa kuanzishwa kwa fizikia mpya ya kimsingi.  

*** 

Marejeo:  

1. Prasad U., 2021.Darubini ya Anga ya James Webb (JWST): Kichunguzi cha Kwanza cha Anga kilichotolewa kwa Utafiti wa Ulimwengu wa Awali. Kisayansi Ulaya. Ilichapishwa tarehe 6 Novemba 2021. Inapatikana kwa 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 na Loeb A., 2012. 21 cm cosmology katika karne ya 21. Ripoti za Maendeleo katika Fizikia 75 086901. Inapatikana kwa https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint kwa arXiv inapatikana kwa https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf version  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Chuo Kikuu cha Oxford. Falsafa ya Kosmolojia - 21 cm background. Inapatikana kwa http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Wasifu wa ufyonzwaji unaozingatia megahertz 78 katika wigo wa wastani wa anga. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Radiometer ya REACH ya kugundua ishara ya hidrojeni ya 21-cm kutoka kwa redshift z ≈ 7.5-28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Akifichua mafumbo ya Ulimwengu mchanga kwa kutumia radiometer ya REACH. Inapatikana mtandaoni kwa  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***