Astudiaeth o'r Bydysawd Cynnar: Arbrawf REACH i ganfod llinell 21-cm anodd ei chael o Hydrogen Cosmig 

Arsylwi o 26 cm radio Mae signalau, a ffurfiwyd oherwydd trawsnewidiad hyperfân hydrogen cosmig, yn cynnig offeryn amgen i astudio cynnar bydysawdO ran cyfnod niwtral y baban bydysawd pan nad oedd golau yn cael ei allyrru, efallai mai dim ond ffenestr yw llinellau 26 cm. Fodd bynnag, mae'r rhain wedi symud yn goch radio signalau a allyrrir gan hydrogen cosmig yn gynnar bydysawd yn hynod wan ac wedi bod yn anodd eu canfod hyd yn hyn. Yn 2018, adroddodd arbrawf EDGE fod signalau 26 cm wedi'u canfod ond ni ellid cadarnhau'r canfyddiadau'n annibynnol. Y prif broblem oedd systemateg offerynnau a halogiad gyda'r signalau eraill o'r awyr. Mae Arbrawf REACH i ddefnyddio methodoleg unigryw i oresgyn y tagfeydd. Gobeithir y bydd y grŵp ymchwil hwn yn gallu canfod y signalau anodd eu canfod hyn yn ddibynadwy yn y dyfodol agos. Os bydd yn llwyddiannus, gall Arbrawf REACH ddod â 'seryddiaeth radio 26 cm' i'r amlwg yn astudiaeth gynnar bydysawd a'n cynorthwyo'n fawr i ddatrys dirgelion y cyfnod cynnar bydysawd. 

O ran astudio bydysawd cynnar, enw'r un a lansiwyd yn ddiweddar Telesgop Gofod James Webb (JWST) yn ymddangos yn ein meddwl. JWST, olynydd i un hynod lwyddiannus Hubble telesgop, yw gofodarsyllfa is-goch, wedi'i lleoli yn y byd, sydd â'r offer i ddal signalau optegol/is-goch o'r sêr a'r galaethau cynnar a ffurfiwyd yn y Bydysawd yn fuan ar ôl y Glec Fawr¹. Fodd bynnag, JWST mae ganddo rywfaint o gyfyngiad o ran codi signalau o'r cyfnod niwtral o bydysawd cynnar yn bryderus.  

Tabl: Cyfnodau yn hanes bydysawd ers y Glec Fawr  

(Ffynhonnell: Athroniaeth Cosmoleg – cefndir 21 cm. Ar gael yn http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Hyd at 380 o flynyddoedd ar ôl y glec fawr, y bydysawd wedi'i lenwi â nwy ïoneiddiedig ac roedd yn gwbl afloyw. Rhwng 380k – 400 miliwn o flynyddoedd, y bydysawd wedi dod yn niwtral ac yn dryloyw. Dechreuodd cyfnod yr ail-ïoneiddio ar ôl y cyfnod hwn gan ddechrau 400 miliwn ar ôl y Glec Fawr.  

Yn ystod y cyfnod niwtral cynnar bydysawd, pan fydd y bydysawd wedi'i lenwi â nwyon niwtral ac roedd yn dryloyw, ni allyrrwyd unrhyw signal optegol (felly'r enw oes dywyll). Nid yw deunydd wedi'i uno yn allyrru golau. Mae hyn yn peri her wrth astudio cynnar Bydysawd o gyfnod niwtral. Fodd bynnag, mae ymbelydredd microdon o donfedd 21 cm (sy'n cyfateb i 1420 MHz) a allyrrir gan yr hydrogen cosmig oer, niwtral yn ystod y cyfnod hwn o ganlyniad i drawsnewidiad hyperfân (o sbin paralel i sbin gwrth-baralel mwy sefydlog) yn cynnig cyfleoedd i ymchwilwyr. Byddai'r ymbelydredd microdon 21 cm hwn yn cael ei goch-sifftio wrth gyrraedd y Ddaear a bydd yn cael ei arsylwi ar amleddau 200MHz i 10 MHz fel tonnau radio^2,3.  

Seryddiaeth radio 21 cm: Mae arsylwi signalau hydrogen cosmig 21 centimetr yn cynnig dull amgen o astudio cynnar bydysawd yn enwedig o gyfnod epoc niwtral nad oedd yn cynnwys unrhyw allyriadau golau. Gall hyn hefyd roi gwybodaeth i ni am ffiseg newydd megis dosbarthiad mater dros amser, ynni tywyll, mater tywyll, masau niwtrino, a chwyddiant².  

Fodd bynnag, y signalau 21-cm a allyrrir gan yr hydrogen cosmig yn ystod y cyfnod cynnar bydysawd mae'r cyfnod yn anodd ei ddeall. Disgwylir iddo fod yn hynod o wan (tua chant mil o weithiau'n wannach na signalau radio eraill sydd hefyd yn dod o'r awyr). O ganlyniad, mae'r dull hwn yn dal i fod yn ei ddyddiau cynnar.  

Yn 2018, roedd ymchwilwyr wedi nodi canfod signal radio o'r fath ar amledd o 78 MHz yr oedd ei broffil yn gyson i raddau helaeth â'r disgwyliadau ar gyfer y signal 21 centimetr a allyrrir gan yr hydrogen cosmig cyntefig.⁴Ond ni ellid cadarnhau'r canfyddiad hwn o signal radio 21-cm cyntefig yn annibynnol, felly ni ellid sefydlu dibynadwyedd yr arbrawf hyd yn hyn. Ymddengys mai'r prif broblem yw halogiad gyda'r signalau radio blaendir.  

Y garreg filltir ddiweddaraf yw adroddiad Arbrawf Radio ar gyfer Dadansoddi Hydrogen Cosmig (REACH) ar 21 Gorffennaf 2022. Bydd REACH yn defnyddio dull arbrofol newydd i ganfod y signalau radio cosmig gwan hyn, gan gynnig gobaith newydd i gadarnhau signalau cosmig 21 centimetr.  

Mae'r Arbrawf Radio ar gyfer Dadansoddi Hydrogen Cosmig (REACH) yn arbrawf 21 cm a gyfartaleddir yn yr awyr. Nod hwn yw gwella arsylwadau trwy reoli problemau y mae offerynnau'n eu hwynebu sy'n gysylltiedig â signalau systematig gweddilliol yn y data. Mae'n canolbwyntio ar ganfod ac egluro'r systemateg ar y cyd â'r blaendiroedd a'r signal cosmolegol gan ddefnyddio ystadegau Bayesaidd. arbrofi yn cynnwys arsylwadau ar yr un pryd gyda dau antena gwahanol, system band eang iawn (ystod cochgoch tua 7.5 i 28) a chalibradwr derbynnydd yn seiliedig ar fesuriadau yn y maes.  

Mae'r datblygiad hwn yn arwyddocaol o ystyried ei botensial i fod yn un o'r offer gorau (ac yn gost-effeithiol hefyd o'i gymharu â gofodarsyllfeydd sy'n seiliedig ar fel james webb) ar gyfer astudio cynnar bydysawd yn ogystal â'r posibilrwydd o gyflwyno ffiseg sylfaenol newydd.  

*** 

Cyfeiriadau:  

1. Prasad U., 2021. Telesgop Gofod James Webb (JWST): Yr Arsyllfa Ofod Gyntaf sydd wedi'i Chyflwyno i Astudio'r Bydysawd Cynnar. Ewropeaidd GwyddonolWedi'i bostio 6 Tachwedd 2021. Ar gael yn 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 a Loeb A., 2012. Cosmoleg 21 cm yn yr 21ain ganrif. Adroddiadau ar Gynnydd mewn Ffiseg 75 086901. Ar gael yn https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Mae rhagargraffiad ar gael yn arXiv yn https://arxiv.org/abs/1109.6012  fersiwn pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. Prifysgol Rhydychen. Athroniaeth Cosmoleg – cefndir 21 cm. Ar gael yn http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. ac eraill. Proffil amsugno wedi'i ganoli ar 78 megahertz yn y sbectrwm cyfartalog awyr. Nature 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. ac eraill. Y radiomedr REACH ar gyfer canfod y signal hydrogen 21-cm o redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Datgelu dirgelion y Bydysawd babanod gyda radiomedr REACH. Ar gael ar-lein yn  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***