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

Observación de 26 cm. radio Las señales formadas debido a la transición hiperfina del hidrógeno cósmico ofrecen una herramienta alternativa para el estudio de las primeras universo. En cuanto a la época neutral del infante universo cuando no se emite luz, las líneas de 26 cm quizás sean sólo ventana. Sin embargo, estos corridos al rojo radio señales emitidas por el hidrógeno cósmico en los primeros tiempos universo son extremadamente débiles y han sido esquivos 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 fue la sistemática de los instrumentos y la contaminación con otras señales del cielo. El experimento REACH empleará 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 podría situar la 'radioastronomía de 26 cm' en primer plano en el estudio de las primeras universo y nos ayudará mucho a desentrañar los misterios de los primeros tiempos. universo. 

Cuando se trata del estudio de universo temprano, nombre del recién lanzado Telescopio espacial James Webb (JWST) aparece en nuestra mente. JWST, sucesor del exitoso Hubble telescopio, es un espacio-Observatorio infrarrojo equipado para capturar señales ópticas/infrarrojas de las primeras estrellas y galaxias formadas en el Universo poco después del Big Bang¹. Sin embargo, JWST tiene alguna limitación en cuanto a captar señales de la época neutral de universo temprano está preocupado.  

Tabla: Épocas de la historia de universo desde el Big Bang  

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

Hasta 380 años después del big bang, el universo estaba lleno de gas ionizado y era completamente opaco. Entre 380 y 400 millones de años, el universo se había vuelto neutral y transparente. La época de la reionización comenzó después de esta fase que comenzó 400 millones después del big bang.  

Durante la época neutral de principios universo, cuando el universo Estaba lleno de gases neutros y era transparente, no se emitía ninguna señal óptica (de ahí que se le llamara edad oscura). El material sindicalizado no emite luz. Esto plantea un desafío en el estudio de las primeras Universo 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 frío y neutro durante esta época como resultado de una transición hiperfina (de espín paralelo a espín antiparalelo más estable) ofrece oportunidades a los investigadores. Esta radiación de microondas de 21 cm se desplazaría al 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 cósmicas de hidrógeno de 21 centímetros ofrece un enfoque alternativo al estudio de las primeras universo especialmente de fase de época neutra que estaba desprovista de cualquier emisión de luz. Esto también puede informarnos sobre nueva física, como la distribución de la materia en el tiempo, la energía oscura, la materia oscura, las masas de neutrinos y la inflación.².  

Sin embargo, las señales de 21 cm emitidas por el hidrógeno cósmico durante las primeras universo fase es esquiva. Se espera que sea extremadamente débil (unas cien mil veces más débil que otras señales de radio que también emanan del cielo). Como resultado, este enfoque aún está en su infancia.  

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 21 cm de promedio en el cielo. Esto tiene como objetivo mejorar las observaciones mediante la gestión de los problemas que enfrentan los instrumentos relacionados con señales sistemáticas residuales en los datos. Se centra en detectar y explicar conjuntamente la sistemática junto con los primeros planos y la señal cosmológica mediante estadística bayesiana. 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 de campo.  

Este desarrollo es significativo dado su potencial para ser una de las mejores herramientas (y también rentable en comparación con espacioobservatorios basados ​​en James Webb) para el estudio de las primeras universo así como la posibilidad de introducir una nueva física fundamental.  

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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 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 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 

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

4. 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 

5. 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  

6. 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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