Kajian Alam Semesta Awal: Eksperimen REACH untuk mengesan garisan 21 cm yang sukar difahami daripada Hidrogen Kosmik 

Pemerhatian 26 cm radio isyarat, terbentuk kerana peralihan hiperfine hidrogen kosmik menawarkan alat alternatif kepada kajian awal alam semesta. Bagi zaman neutral bayi alam semesta apabila tiada cahaya dipancarkan, garisan 26 cm mungkin hanya tingkap. Walau bagaimanapun, ini bertukar merah radio isyarat yang dipancarkan oleh hidrogen kosmik pada awalnya alam semesta sangat lemah dan sukar difahami setakat ini. Pada 2018, eksperimen EDGE melaporkan pengesanan isyarat 26 cm tetapi penemuan itu tidak dapat disahkan secara bebas. Isu utama adalah sistematik instrumen dan pencemaran dengan isyarat lain dari langit. Eksperimen REACH adalah untuk menggunakan metodologi unik untuk mengatasi kesesakan. Diharapkan kumpulan penyelidik ini dapat mengesan isyarat yang sukar difahami ini dalam masa terdekat. Jika berjaya, Eksperimen REACH mungkin membawa '26 cm radio astronomi' ke hadapan dalam kajian awal alam semesta dan banyak membantu kami dalam membongkar misteri awal alam semesta. 

Apabila ia datang kepada kajian tentang alam semesta awal, nama yang dilancarkan baru-baru ini Teleskop Angkasa James Webb (JWST) timbul dalam fikiran kita. JWST, pengganti yang sangat berjaya Hubble teleskop, ialah a ruangberasaskan, balai cerap inframerah dilengkapi untuk menangkap isyarat optik/inframerah daripada bintang awal dan galaksi yang terbentuk dalam Universe tidak lama selepas Big Bang¹. Walau bagaimanapun, JWST mempunyai beberapa had setakat mengambil isyarat daripada zaman neutral alam semesta awal bersangkutan.  

Jadual: Epok dalam sejarah alam semesta sejak Big Bang  

(Sumber: Falsafah Kosmologi – latar belakang 21 cm. Boleh didapati di http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Sehingga 380 k tahun selepas letupan besar, the alam semesta telah diisi dengan gas terion dan legap sepenuhnya. Antara 380k – 400 juta tahun, the alam semesta telah menjadi neutral dan telus. Epok pengionan semula bermula selepas fasa ini bermula 400 juta selepas letupan besar.  

Semasa zaman neutral awal alam semesta, apabila alam semesta telah diisi dengan gas neutral dan telus, tiada isyarat optik dipancarkan (oleh itu dipanggil zaman gelap). Bahan bersatu tidak memancarkan cahaya. Ini menimbulkan cabaran dalam kajian awal Universe zaman neutral. Walau bagaimanapun, sinaran gelombang mikro dengan panjang gelombang 21 cm (bersamaan dengan 1420 MHz) yang dipancarkan oleh hidrogen kosmik yang sejuk dan neutral semasa zaman ini hasil daripada peralihan hiperhalus (dari putaran selari kepada putaran anti selari yang lebih stabil) menawarkan peluang kepada penyelidik. Sinaran gelombang mikro 21 cm ini akan dianjak merah apabila sampai ke Bumi dan akan diperhatikan pada frekuensi 200MHz hingga 10 MHz sebagai gelombang radio^2,3.  

astronomi radio 21 cm: Pemerhatian isyarat hidrogen kosmik 21 sentimeter menawarkan pendekatan alternatif kepada kajian awal alam semesta terutamanya fasa zaman neutral yang tidak mempunyai sebarang pancaran cahaya. Ini juga boleh memberitahu kami tentang fizik baharu seperti pengagihan jirim dari semasa ke semasa, tenaga gelap, jirim gelap, jisim neutrino dan inflasi².  

Walau bagaimanapun, isyarat 21 cm yang dipancarkan oleh hidrogen kosmik semasa awal alam semesta fasa sukar difahami. Ia dijangka sangat lemah (kira-kira seratus ribu kali lebih lemah daripada isyarat radio lain yang juga terpancar dari langit). Akibatnya, pendekatan ini masih di peringkat awal.  

Pada 2018, penyelidik telah melaporkan pengesanan isyarat radio sedemikian pada frekuensi 78 MHz yang profilnya sebahagian besarnya konsisten dengan jangkaan untuk isyarat 21 sentimeter yang dipancarkan oleh hidrogen kosmik primordial.⁴. Tetapi pengesanan isyarat radio 21-cm primordial ini tidak dapat disahkan secara bebas oleh itu kebolehpercayaan eksperimen tidak dapat diwujudkan setakat ini. Isu utama nampaknya adalah pencemaran dengan isyarat radio latar depan.  

Pencapaian terbaharu ialah laporan Eksperimen Radio untuk Analisis Hidrogen Kosmik (REACH) pada 21 Julai 2022. REACH akan menggunakan pendekatan eksperimen baru untuk mengesan isyarat radio kosmik yang lemah dan sukar difahami ini sekali gus menawarkan harapan baharu untuk pengesahan isyarat kosmik 21 sentimeter.  

Eksperimen Radio untuk Analisis Hidrogen Kosmik (REACH) ialah eksperimen 21 cm purata langit. Ini bertujuan untuk menambah baik pemerhatian dengan menguruskan isu yang dihadapi oleh instrumen yang berkaitan dengan sisa isyarat sistematik dalam data. Ia menumpukan pada mengesan dan bersama-sama menerangkan sistematik bersama-sama dengan latar depan dan isyarat kosmologi menggunakan statistik Bayesian. Eksperimen ini melibatkan pemerhatian serentak dengan dua antena berbeza, sistem jalur lebar ultra (julat anjakan merah kira-kira 7.5 hingga 28) dan penentukur penerima berdasarkan ukuran dalam medan.  

Perkembangan ini penting memandangkan potensinya untuk menjadi salah satu alat terbaik (dan kos yang terlalu efektif berbanding ruang-pusat pemerhatian seperti james webb) untuk kajian awal alam semesta serta kemungkinan memulakan fizik asas baharu.  

*** 

Rujukan:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): Balai Cerap Angkasa Pertama yang Didedikasikan untuk Kajian Alam Semesta Awal. Eropah saintifik. Disiarkan pada 6 November 2021. Boleh didapati di 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 dan Loeb A., 2012. 21 cm kosmologi pada abad ke-21. Laporan Kemajuan dalam Fizik 75 086901. Boleh didapati di https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Pracetak di arXiv boleh didapati di https://arxiv.org/abs/1109.6012  versi pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Universiti Oxford. Falsafah Kosmologi – latar belakang 21 cm. Boleh didapati di http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Profil penyerapan berpusat pada 78 megahertz dalam spektrum purata langit. Alam 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Radiometer REACH untuk mengesan isyarat hidrogen 21 cm daripada anjakan merah z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Membongkar misteri Alam Semesta bayi dengan radiometer REACH. Boleh didapati dalam talian di  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***