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Estudio del Universo Temprano: Experimento REACH para detectar la escurridiza línea de 21 cm del Hidrógeno Cósmico 

NOTICIAS BREVESEstudio del Universo Temprano: Experimento REACH para detectar la escurridiza línea de 21 cm del Hidrógeno Cósmico 

La observación de señales de radio de 26 cm, formadas debido a la transición hiperfina del hidrógeno cósmico, ofrece una herramienta alternativa para el estudio del universo primitivo. En cuanto a la época neutra del universo infantil cuando no se emitía luz, las líneas de 26 cm son quizás solo una ventana. Sin embargo, estas señales de radio desplazadas hacia el rojo emitidas por el hidrógeno cósmico en el universo primitivo son extremadamente débiles y han sido esquivas hasta ahora. En 2018, el experimento EDGE informó la detección de señales de 26 cm, pero los hallazgos no pudieron confirmarse de forma independiente. El problema principal era la sistemática del instrumento y la contaminación con las otras señales del cielo. El Experimento REACH es emplear una metodología única para superar el cuello de botella. Se espera que este grupo de investigación pueda detectar de forma fiable estas señales esquivas en un futuro próximo. Si tiene éxito, el Experimento REACH puede llevar la 'radioastronomía de 26 cm' al frente en el estudio del universo primitivo y ayudarnos mucho a desentrañar los misterios del universo primitivo. 

Cuando se trata del estudio del universo temprano, el nombre del Telescopio Espacial James Webb (JWST) lanzado recientemente aparece en nuestra mente. JWST, un sucesor del enormemente exitoso telescopio Hubble, es un observatorio infrarrojo basado en el espacio equipado para capturar señales ópticas/infrarrojas de las primeras estrellas y galaxias formadas en el Universo poco después del Big Bang.1. Sin embargo, JWST tiene algunas limitaciones en lo que respecta a la captación de señales de la época neutral del universo primitivo.  

Tabla: Épocas en la historia del universo desde el Big Bang  

Tiempo/fase desde el Big Bang (en años)  Epoch Eventos/características clave  
0 – 380,000  inflación  Universo lleno de gas ionizado y completamente opaco  
380,000 –400 millones  época neutra  El universo se vuelve neutral y transparente; no se emitía luz porque los átomos no estaban ionizados; Se formaron las primeras estrellas y estructuras Fondo cósmico de microondas (CMB) desacoplado del gas cósmico 400,000 años después del Big Bang Los átomos de hidrógeno cósmico fríos y neutros emitieron radiación de microondas de 26 cm de longitud de onda debido a la transición hiperfina. La línea de hidrógeno cósmico de 26 cm desplazada hacia el rojo, si se toma ahora en la Tierra, podría dar información sobre los primeros mil millones de años del Universo, un período en el que se formaron las primeras estrellas y galaxias, un período que es prácticamente un misterio desapercibido.  
400 millones – 1 billón  Época de reionización  Empiezan a formarse galaxias y cuásers comenzando la reionización  
mil millones – 9 mil millones   Reionización completa; 10% de opacidad, las galaxias evolucionan, la energía oscura comienza a acelerar la expansión del espacio 
9 millones   formas del sistema solar  
13.8 millones   Presente  

(Fuente: Filosofía de la Cosmología – Fondo 21 cm. Disponible en http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Hasta 380 mil años después del Big Bang, el universo estaba lleno de gas ionizado y era completamente opaco. Entre 380k y 400 millones de años, el universo se había vuelto neutral y transparente. La época de reionización comenzó después de esta fase a partir de 400 millones después del Big Bang.  

Durante la época neutra del universo primitivo, cuando el universo estaba lleno de gases neutros y era transparente, no se emitía ninguna señal óptica (de ahí la llamada edad oscura). El material unionizado no emite luz. Esto plantea un desafío en el estudio del Universo primitivo de época neutral. Sin embargo, la radiación de microondas de 21 cm de longitud de onda (correspondiente a 1420 MHz) emitida por el hidrógeno cósmico neutro y frío 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 observará 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 primitivo, 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 inflación.2.  

Sin embargo, las señales de 21 cm emitidas por el hidrógeno cósmico durante la fase temprana del universo son esquivas. Se espera que sea extremadamente débil (alrededor de cien mil veces más débil que otras señales de radio que también emanan del cielo). Como resultado, este enfoque aún está en pañales.  

En 2018, los investigadores informaron la detección de una señal de radio de este tipo a una frecuencia de 78 MHz cuyo perfil coincidía en gran medida con las expectativas de la señal de 21 centímetros emitida por el hidrógeno cósmico primordial.4. Pero esta detección de la señal de radio primordial de 21 cm no se pudo confirmar de forma independiente, por lo que hasta ahora no se pudo establecer la confiabilidad del experimento. El problema principal parece ser la contaminación con las 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 cielo medio de 21 cm. Esto tiene como objetivo mejorar las observaciones mediante la gestión de los problemas que enfrentan los instrumentos relacionados con las señales sistemáticas residuales en los datos. Se centra en detectar y explicar conjuntamente la sistemática junto con los primeros planos y la señal cosmológica utilizando estadísticas bayesianas. El experimento implica observaciones simultáneas con dos antenas diferentes, un sistema de banda ultraancha (rango de corrimiento al rojo de aproximadamente 7.5 a 28) y un calibrador de receptor basado en mediciones en el campo.  

Este desarrollo es significativo dado su potencial para ser una de las mejores herramientas (y rentable también en comparación con los observatorios basados ​​en el espacio como James Webb) para el estudio del universo primitivo, así como la posibilidad de marcar el comienzo de una nueva física fundamental.  

*** 

Referencias:  

  1. 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 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 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 
  1. Universidad de Oxford. Filosofía de la Cosmología – fondo de 21 cm. Disponible en http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Editor jefe, Scientific European

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