ການສຶກສາຂອງ Early Universe: REACH Experiment ເພື່ອກວດພົບເສັ້ນ 21-cm elusive ຈາກ Cosmic Hydrogen 

ການສັງເກດການຂອງສັນຍານວິທະຍຸ 26 ຊມ, ສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນເນື່ອງຈາກການຫັນປ່ຽນ hyperfine ຂອງ hydrogen cosmic ສະເຫນີເປັນເຄື່ອງມືທາງເລືອກໃນການສຶກສາຂອງຈັກກະວານຕົ້ນ. ສໍາລັບຍຸກທີ່ເປັນກາງຂອງຈັກກະວານເດັກໃນເວລາທີ່ບໍ່ມີແສງສະຫວ່າງ, ເສັ້ນ 26 ຊຕມອາດຈະເປັນພຽງແຕ່ປ່ອງຢ້ຽມ. ແນວໃດກໍ່ຕາມ, ສັນຍານວິທະຍຸທີ່ປ່ຽນສີແດງເຫຼົ່ານີ້ປ່ອຍອອກມາໂດຍ hydrogen cosmic ໃນຈັກກະວານຕົ້ນແມ່ນອ່ອນເພຍທີ່ສຸດແລະຍັງມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກມາເຖິງຕອນນັ້ນ. ໃນປີ 2018, ການທົດລອງ EDGE ລາຍງານການກວດພົບສັນຍານ 26 cm ແຕ່ການຄົ້ນພົບບໍ່ສາມາດຢືນຢັນໄດ້ຢ່າງເປັນອິດສະຫຼະ. ບັນຫາຕົ້ນຕໍແມ່ນເຄື່ອງມືລະບົບແລະການປົນເປື້ອນກັບສັນຍານອື່ນໆຈາກທ້ອງຟ້າ. ການທົດລອງ REACH ແມ່ນການໃຊ້ວິທີການທີ່ເປັນເອກະລັກເພື່ອເອົາຊະນະຄໍຂວດ. ຫວັງ​ວ່າ​ກຸ່ມ​ຄົ້ນ​ຄ້ວາ​ນີ້​ຈະ​ສາມາດ​ກວດ​ພົບ​ສັນຍານ​ທີ່​ຫຍາບ​ຄາຍ​ໄດ້​ໃນ​ອະນາຄົດ​ອັນ​ໃກ້ໆ​ນີ້. ຖ້າປະສົບຜົນສຳເລັດ, ການທົດລອງ REACH ອາດຈະນຳ 'ວິທະຍຸ 26 ຊມ' ມາເປັນອັນດັບແຖວໜ້າໃນການສຶກສາຈັກກະວານຕອນຕົ້ນ ແລະ ຊ່ວຍພວກເຮົາຫຼາຍໃນການເປີດເຜີຍຄວາມລຶກລັບຂອງຈັກກະວານກ່ອນ. 

When it comes to the study of ຈັກກະວານຕົ້ນ, name of recently launched james webb Space Telescope (JWST) pops up in our mind. JWST, a successor of hugely successful Hubble telescope, is a space-based, infrared observatory equipped to capture optical/infrared signals from the early stars and galaxies formed in the Universe soon after the Big Bang¹. However, JWST has some limitation so far as picking up signals from the neutral epoch of ຈັກກະວານຕົ້ນ ເປັນຫ່ວງ.  

ຕາຕະລາງ: Epochs ໃນປະຫວັດສາດຂອງຈັກກະວານນັບຕັ້ງແຕ່ Big Bang  

(ແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ: Philosophy of Cosmology – ພື້ນຫລັງ 21 cm. ມີຢູ່ http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

ເຖິງ 380 k ປີຫຼັງຈາກສຽງດັງ, ຈັກກະວານເຕັມໄປດ້ວຍອາຍແກັສ ionised ແລະມີຄວາມ opaque ຢ່າງເຕັມສ່ວນ. ລະຫວ່າງ 380k – 400 ລ້ານປີ, ຈັກກະວານໄດ້ກາຍເປັນກາງແລະໂປ່ງໃສ. ຍຸກຂອງ reionisation ໄດ້ເລີ່ມຕົ້ນຫຼັງຈາກໄລຍະນີ້ເລີ່ມຕົ້ນ 400 ລ້ານຫຼັງຈາກສຽງປັ້ງໃຫຍ່.  

ໃນລະຫວ່າງຍຸກທີ່ເປັນກາງຂອງຈັກກະວານຕອນຕົ້ນ, ເມື່ອຈັກກະວານເຕັມໄປດ້ວຍອາຍແກັສທີ່ເປັນກາງ ແລະມີຄວາມໂປ່ງໃສ, ບໍ່ມີສັນຍານແສງໃດໆອອກມາ (ເພາະສະນັ້ນເອີ້ນວ່າຍຸກມືດ). ອຸ​ປະ​ກອນ​ການ unionized ບໍ່​ປ່ອຍ​ແສງ​ສະ​ຫວ່າງ​. ອັນນີ້ເຮັດໃຫ້ເກີດສິ່ງທ້າທາຍໃນການສຶກສາຈັກກະວານໃນຕອນຕົ້ນຂອງຍຸກທີ່ເປັນກາງ. ແນວໃດກໍ່ຕາມ, ລັງສີໄມໂຄເວຟຂອງຄວາມຍາວຄື້ນ 21 ຊມ (ກົງກັບ 1420 MHz) ປ່ອຍອອກມາຈາກຄວາມເຢັນ, ເປັນກາງຂອງ hydrogen cosmic ໃນຊ່ວງເວລານີ້ເປັນຜົນມາຈາກການຫັນປ່ຽນ hyperfine (ຈາກ spin ຂະຫນານໄປສູ່ spin ຕ້ານຂະຫນານທີ່ຫມັ້ນຄົງຫຼາຍ) ສະເຫນີໂອກາດໃຫ້ນັກຄົ້ນຄວ້າ. ລັງສີໄມໂຄເວບ 21 ຊຕມນີ້ຈະຖືກປ່ຽນເປັນສີແດງເມື່ອມາຮອດໂລກແລະຈະສັງເກດເຫັນຢູ່ທີ່ຄວາມຖີ່ 200MHz ຫາ 10 MHz ເປັນຄື້ນວິທະຍຸ.^2,3.  

ວິທະຍຸດາລາສາດ 21 ຊມ: ການສັງເກດການສັນຍານ hydrogen cosmic 21 ຊັງຕີແມັດໄດ້ສະເຫນີວິທີການທາງເລືອກໃນການສຶກສາຂອງຈັກກະວານໃນຕອນຕົ້ນໂດຍສະເພາະໄລຍະທີ່ເປັນກາງທີ່ບໍ່ມີການປ່ອຍແສງໃດໆ. ນີ້ຍັງສາມາດແຈ້ງໃຫ້ພວກເຮົາຮູ້ກ່ຽວກັບຟີຊິກໃຫມ່ເຊັ່ນ: ການແຜ່ກະຈາຍຂອງສານໃນໄລຍະເວລາ, ພະລັງງານຊ້ໍາ, ວັດຖຸຊ້ໍາ, ມະຫາຊົນ neutrino, ແລະອັດຕາເງິນເຟີ້.².  

ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ສັນຍານ 21-cm ປ່ອຍອອກມາໂດຍ hydrogen cosmic ໃນໄລຍະຕົ້ນຂອງຈັກກະວານແມ່ນມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກ. ຄາດ​ວ່າ​ຈະ​ມີ​ຄວາມ​ອ່ອນ​ແອ​ທີ່​ສຸດ (ປະມານ XNUMX ​ແສນ​ເທື່ອ​ອ່ອນ​ກວ່າ​ສັນຍານ​ວິທະຍຸ​ອື່ນໆ​ທີ່​ອອກ​ມາ​ຈາກ​ທ້ອງຟ້າ). ດັ່ງນັ້ນ, ວິທີການນີ້ຍັງຢູ່ໃນໄວເດັກ.  

ໃນປີ 2018, ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ລາຍງານການກວດພົບຂອງສັນຍານວິທະຍຸດັ່ງກ່າວໃນຄວາມຖີ່ຂອງ 78 MHz ທີ່ມີ profile ສ່ວນໃຫຍ່ສອດຄ່ອງກັບຄວາມຄາດຫວັງຂອງສັນຍານ 21 ຊັງຕີແມັດທີ່ປ່ອຍອອກມາໂດຍ hydrogen cosmic primordial.⁴. ​ແຕ່​ການ​ກວດ​ພົບ​ສັນຍານ​ວິທະຍຸ 21-ຊມ ​ໃນ​ເບື້ອງ​ຕົ້ນ​ນີ້​ຍັງ​ບໍ່​ສາມາດ​ຢືນຢັນ​ໄດ້​ຢ່າງ​ເປັນ​ເອກະລາດ, ​ເພາະສະ​ນັ້ນ​ຄວາມ​ໜ້າ​ເຊື່ອ​ຖື​ຂອງ​ການ​ທົດ​ລອງ​ຍັງ​ບໍ່​ສາມາດ​ສ້າງ​ຕັ້ງ​ຂຶ້ນ​ໄດ້​ມາ​ຮອດ​ປະຈຸ​ບັນ. ບັນຫາຕົ້ນຕໍເບິ່ງຄືວ່າການປົນເປື້ອນກັບສັນຍານວິທະຍຸທາງຫນ້າ.  

ເຫດການຫລ້າສຸດແມ່ນລາຍງານຂອງການທົດລອງວິທະຍຸສໍາລັບການວິເຄາະ Cosmic Hydrogen (REACH) ໃນວັນທີ 21 ກໍລະກົດ 2022. REACH ຈະໃຊ້ວິທີການທົດລອງໃຫມ່ເພື່ອກວດຫາສັນຍານວິທະຍຸ cosmic elusive ທີ່ອ່ອນແອເຫຼົ່ານີ້, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງສະເຫນີຄວາມຫວັງໃຫມ່ສໍາລັບການຢືນຢັນຂອງສັນຍານ cosmic 21 ຊັງຕີແມັດ.  

ການທົດລອງວິທະຍຸສໍາລັບການວິເຄາະຂອງ Cosmic Hydrogen (REACH) ແມ່ນການທົດລອງລະດັບທ້ອງຟ້າ 21-cm. ນີ້ມີຈຸດປະສົງເພື່ອປັບປຸງການສັງເກດການໂດຍການຄຸ້ມຄອງບັນຫາທີ່ປະເຊີນຫນ້າໂດຍເຄື່ອງມືທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບສັນຍານລະບົບທີ່ຕົກຄ້າງຢູ່ໃນຂໍ້ມູນ. ມັນສຸມໃສ່ການຊອກຄົ້ນຫາແລະຮ່ວມກັນອະທິບາຍລະບົບຮ່ວມກັນກັບ foregrounds ແລະສັນຍານ cosmological ການນໍາໃຊ້ສະຖິຕິ Bayesian. ການທົດລອງປະກອບດ້ວຍການສັງເກດການພ້ອມໆກັນກັບສອງເສົາອາກາດທີ່ແຕກຕ່າງກັນ, ລະບົບ ultra-wideband (ຊ່ວງ redshift ປະມານ 7.5 ຫາ 28) ແລະເຄື່ອງປັບຕົວຮັບໂດຍອີງໃສ່ການວັດແທກໃນພາກສະຫນາມ.  

ການພັດທະນານີ້ແມ່ນສໍາຄັນຍ້ອນທ່າແຮງຂອງມັນເປັນຫນຶ່ງໃນເຄື່ອງມືທີ່ດີທີ່ສຸດ (ແລະຄ່າໃຊ້ຈ່າຍທີ່ມີປະສິດທິພາບເກີນໄປ vis-a-vis space-based observatories ເຊັ່ນ James Webb) ສໍາລັບການສຶກສາຂອງຈັກກະວານໃນຕອນຕົ້ນເຊັ່ນດຽວກັນກັບຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການສ້າງຟີຊິກພື້ນຖານໃຫມ່.  

*** 

ເອກະສານ:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): ຫໍສັງເກດການອະວະກາດແຫ່ງທຳອິດທີ່ອຸທິດໃຫ້ການສຶກສາຈັກກະວານຕອນຕົ້ນ. ວິທະຍາສາດເອີຣົບ. ຂຽນເມື່ອວັນທີ 6 ພະຈິກ 2021. ວາງຈຳໜ່າຍທີ່ 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 and Loeb A., 2012. 21 cm cosmology in the 21st century. ລາຍງານຄວາມຄືບໜ້າຂອງວິຊາຟີຊິກສາດ 75 086901. ມີທີ່ https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Preprint ຢູ່ arXiv ມີຢູ່ https://arxiv.org/abs/1109.6012  ສະບັບ pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. ມະຫາວິທະຍາໄລ Oxford. ປັດຊະຍາຂອງ Cosmology - ພື້ນຫລັງ 21 ຊມ. ມີຢູ່ http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. ໂປຣໄຟລ໌ການດູດຊຶມທີ່ຕັ້ງຢູ່ຈຸດສູນກາງຢູ່ທີ່ 78 megahertz ໃນສະເປກທຣັມສະເລ່ຍທ້ອງຟ້າ. ທຳມະຊາດ 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. ເຄື່ອງວັດແທກວິທະຍຸ REACH ສໍາລັບການກວດຫາສັນຍານໄຮໂດເຈນ 21 ຊມ ຈາກ redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. ການເປີດເຜີຍຄວາມລຶກລັບຂອງຈັກກະວານເດັກອ່ອນດ້ວຍເຄື່ອງວັດແທກວິທະຍຸ REACH. ມີໃຫ້ອອນໄລນ໌ຢູ່  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***