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早期宇宙研究:从宇宙氢中检测难以捉摸的 21 厘米线的 REACH 实验 

新闻简述早期宇宙研究:从宇宙氢中检测难以捉摸的 21 厘米线的 REACH 实验 

由于宇宙氢的超精细跃迁而形成的 26 厘米无线电信号的观测为研究早期宇宙提供了另一种工具。 至于没有发光的婴儿宇宙的中性时期,26厘米的线可能只是窗口。 然而,这些由早期宇宙中的宇宙氢发出的红移无线电信号极其微弱,迄今为止一直难以捉摸。 2018 年,EDGE 实验报告检测到 26 厘米信号,但该发现无法独立证实。 主要问题是仪器系统和来自天空的其他信号的污染。 REACH 实验是采用独特的方法来克服瓶颈。 希望这个研究小组能够在不久的将来可靠地检测到这些难以捉摸的信号。 如果成功,REACH 实验可能会将“26 厘米射电天文学”推向早期宇宙研究的前沿,并有助于我们解开早期宇宙的奥秘。 

谈到早期宇宙的研究,我们脑海中浮现出最近发射的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的名字。 JWST 是非常成功的哈勃望远镜的继任者,是一个基于太空的红外天文台,用于捕捉宇宙大爆炸后不久形成的早期恒星和星系的光学/红外信号1. 然而,就从早期宇宙的中性纪元获取信号而言,JWST 存在一定的局限性。  

表:自大爆炸以来的宇宙历史时期  

自大爆炸以来的时间/阶段(以年为单位)  时代 关键事件/功能  
0 - 380,000 通货膨胀  宇宙充满电离气体且完全不透明  
380,000 –400 亿  中性时期  宇宙变得中立和透明; 因为原子没有被电离,所以没有发光; 第一颗恒星和结构形成 宇宙微波背景 (CMB) 在大爆炸冷 400,000 万年后与宇宙气体分离,中性宇宙氢原子由于超精细跃迁而发射了 26 厘米波长的微波辐射。 这条红移的 26 厘米宇宙氢线,如果现在在地球上采集,可以提供有关宇宙最初十亿年的信息,这是第一批恒星和星系形成的时期,这个时期实际上是一个未被观察到的谜团。  
400亿 - 1亿  再电离时代  星系和类星体开始形成开始再电离  
I 十亿 - 9 亿   再电离完成; 10%不透明度,星系演化,暗能量开始加速空间膨胀 
9十亿   太阳系形式  
13.8十亿   目前  

(来源:宇宙学哲学 - 21 厘米背景。可在 http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

大爆炸后长达 380 万年,宇宙充满了电离气体并且完全不透明。 在 380 万年到 400 亿年之间,宇宙变得中立和透明。 再电离时代在这个阶段之后开始,从大爆炸后的 400 亿开始。  

在早期宇宙的中性时代,当宇宙充满中性气体并且是透明的时,没有光信号发射(因此称为黑暗时代)。 工会材料不发光。 这对研究中性时代早期宇宙提出了挑战。 然而,由于超精细跃迁(从平行自旋到更稳定的反平行自旋)在这一时期由冷的中性宇宙氢发射的 21 cm 波长(对应于 1420 MHz)的微波辐射为研究人员提供了机会。 这 21 厘米的微波辐射在到达地球时会发生红移,并将在 200MHz 到 10MHz 频率下作为无线电波被观察到2,3.  

21厘米射电天文学: 对 21 厘米宇宙氢信号的观测为研究早期宇宙提供了另一种方法,尤其是没有任何光发射的中性纪相。 这也可以让我们了解新的物理学,例如物质随时间的分布、暗能量、暗物质、中微子质量和暴胀2.  

然而,宇宙氢在早期宇宙阶段发出的 21 厘米信号是难以捉摸的。 预计它会非常微弱(比同样从天空发出的其他无线电信号弱约十万倍)。 因此,这种方法仍处于起步阶段。  

2018 年,研究人员报告了在 78 MHz 频率下检测到这样一个无线电信号,其轮廓与原始宇宙氢发射的 21 厘米信号的预期基本一致4. 但这种对原始 21 厘米无线电信号的检测无法独立确认,因此目前无法确定实验的可靠性。 主要问题似乎是前景无线电信号的污染。  

最新的里程碑是21年2022月21日的宇宙氢分析无线电实验(REACH)报告。REACH将使用新的实验方法来探测这些微弱难以捉摸的宇宙无线电信号,从而为XNUMX厘米宇宙信号的确认提供新的希望。  

用于分析宇宙氢的无线电实验 (REACH) 是一个 21 厘米的天空平均实验。 这旨在通过管理与数据中剩余系统信号相关的仪器所面临的问题来改进观测。 它侧重于使用贝叶斯统计检测和联合解释系统学以及前景和宇宙学信号。 该实验涉及使用两个不同的天线同时观测,一个超宽带系统(红移范围约为 7.5 到 28)和一个基于现场测量的接收器校准器。  

这一发展意义重大,因为它有可能成为研究早期宇宙的最佳工具之一(并且相对于詹姆斯韦伯等基于太空的天文台而言具有成本效益)以及引入新的基础物理学的可能性。  

*** 

参考文献:  

  1. Prasad U., 2021.James Webb 太空望远镜 (JWST):第一个致力于研究早期宇宙的太空天文台。 科学欧洲. 6 年 2021 月 XNUMX 日发布。可在 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 和 Loeb A.,2012。21 世纪的 21 厘米宇宙学。 物理进展报告 75 086901。可在 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. arXiv 上的预印本可在 https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf版本  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 
  1. 牛津大学。 宇宙学哲学 - 21 厘米背景。 可在 http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. 等人。 在天空平均光谱中以 78 兆赫为中心的吸收分布。 自然 555, 67–70 (2018)。 https://doi.org/10.1038/nature25792 
  1. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. 等。 用于检测红移 z ≈ 21–7.5 的 28 厘米氢信号的 REACH 辐射计。 国家天文台 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  
  1. Eloy de Lera Acedo 2022。用 REACH 辐射计揭开婴儿宇宙的奥秘。 可在线获取  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

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