La observación de señales de radio de 26 cm , formadas por la transición hiperfina del hidrógeno cósmico, ofrece una herramienta alternativa para el estudio del universo temprano . En cuanto a la época neutra del universo incipiente , cuando no se emitía luz, las líneas de 26 cm son quizás la única ventana. Sin embargo, estas señales de radio con desplazamiento al rojo , emitidas por el hidrógeno cósmico en el universo temprano , son extremadamente débiles y hasta ahora han sido difíciles de detectar. En 2018, el experimento EDGE informó de la detección de señales de 26 cm, pero los hallazgos no pudieron confirmarse de forma independiente. El principal problema fue la sistemática instrumental y la contaminación con otras señales del cielo. El experimento REACH empleará una metodología única para superar este obstáculo. Se espera que este grupo de investigación pueda detectar de forma fiable estas señales esquivas en un futuro próximo. De tener éxito, el experimento REACH podría situar la radioastronomía de 26 cm a la vanguardia del estudio del universo temprano y ayudarnos enormemente a desentrañar sus misterios.
Cuando se habla del estudio del universo primitivo , el nombre del recientemente lanzado Telescopio Espacial James Webb (JWST) viene inmediatamente a nuestra mente. El JWST , sucesor del exitoso telescopio Hubble , es un observatorio infrarrojo espacial equipado para capturar señales ópticas e infrarrojas de las primeras estrellas y galaxias formadas en el Universo poco después del Big Bang . Sin embargo, el JWST tiene algunas limitaciones en lo que respecta a la detección de señales de la época neutra del universo primitivo.
Tabla: Épocas en la historia del universo desde el Big Bang
(Fuente: Filosofía de la Cosmología – Fondo de 21 cm. Disponible en http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
Hasta 380 000 años después del Big Bang, el universo estaba lleno de gas ionizado y era completamente opaco. Entre 380 000 y 400 millones de años, el universo se volvió neutro y transparente. La época de la reionización comenzó después de esta fase, 400 millones de años después del Big Bang.
Durante la época neutra del universo temprano , cuando el universo estaba lleno de gases neutros y era transparente, no se emitía ninguna señal óptica (de ahí que se la llame edad oscura). El material no ionizado no emite luz. Esto plantea un desafío en el estudio del universo temprano de la época neutra. Sin embargo, la radiación de microondas de 21 cm de longitud de onda (correspondiente a 1420 MHz) emitida por el hidrógeno cósmico frío y neutro durante esta época como resultado de la transición hiperfina (de espín paralelo a espín antiparalelo más estable) ofrece oportunidades a los investigadores. Esta radiación de microondas de 21 cm se desplazaría hacia el rojo al llegar a la Tierra y se observaría en frecuencias de 200 MHz a 10 MHz como ondas de radio 2,3.
Radioastronomía de 21 cm: La observación de señales de hidrógeno cósmico de 21 centímetros ofrece un enfoque alternativo para el estudio del universo temprano , especialmente de la fase de época neutra, que carecía de emisión de luz. Esto también puede informarnos sobre nueva física, como la distribución de la materia a lo largo del tiempo, la energía oscura, la materia oscura, las masas de los neutrinos y la inflación².
Sin embargo, las señales de 21 cm emitidas por el hidrógeno cósmico durante la fase inicial del universo son difíciles de detectar. Se espera que sean extremadamente débiles (aproximadamente cien mil veces más débiles que otras señales de radio que también emanan del cielo). Por consiguiente, este enfoque aún se encuentra en sus inicios.
En 2018, los investigadores informaron de la detección de una señal de radio de 78 MHz cuyo perfil coincidía en gran medida con las expectativas para la señal de 21 centímetros emitida por el hidrógeno cósmico primordial⁴ . Sin embargo, esta detección de la señal de radio primordial de 21 cm no pudo confirmarse de forma independiente, por lo que la fiabilidad del experimento no se ha podido establecer hasta el momento. El principal problema parece ser la contaminación con señales de radio de primer plano.
El último hito es el informe del Experimento de radio para el análisis del hidrógeno cósmico (REACH) el 21 de julio de 2022. REACH utilizará un enfoque experimental novedoso para detectar estas señales de radio cósmicas débiles y esquivas, por lo que ofrece una nueva esperanza para la confirmación de señales cósmicas de 21 centímetros.
El Experimento de Radio para el Análisis del Hidrógeno Cósmico (REACH) es un experimento de 21 cm con promedio del cielo. Su objetivo es mejorar las observaciones gestionando los problemas que presentan los instrumentos relacionados con las señales sistemáticas residuales en los datos. Se centra en detectar y explicar conjuntamente las sistemáticas, junto con las fuentes de primer plano y la señal cosmológica, utilizando estadística bayesiana. El experimento implica observaciones simultáneas con dos antenas diferentes: un sistema de banda ultraancha (con un rango de corrimiento al rojo de aproximadamente 7.5 a 28) y un calibrador de receptor basado en mediciones de campo.
Este avance es significativo dado su potencial para convertirse en una de las mejores herramientas (y también en una opción rentable en comparación con observatorios espaciales como el James Webb ) para el estudio del universo primitivo , así como por la posibilidad de dar paso a una nueva física fundamental.
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Referencias:
- Prasad U., 2021.Telescopio espacial James Webb (JWST): el primer observatorio espacial dedicado al estudio del universo primitivo. Europeo científico. Publicado el 6 de noviembre de 2021. Disponible en http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA y Loeb A., 2012. Cosmología de 21 cm en el siglo XXI. Reports on Progress in Physics 21 75. Disponible en https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint en arXiv disponible en https://arxiv.org/abs/1109.6012 versión pdf https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Universidad de Oxford. Filosofía de la Cosmología – fondo de 21 cm. Disponible en http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Un perfil de absorción centrado en 78 megahercios en el espectro promediado del cielo. Naturaleza 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. El radiómetro REACH para detectar la señal de hidrógeno de 21 cm a partir del corrimiento al rojo z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Develando los misterios del Universo infantil con el radiómetro REACH. Disponible en línea en https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
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