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

ສັງເກດໄດ້ 26 ຊມ ວິທະຍຸ ສັນຍານ, ສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນເນື່ອງຈາກການຫັນປ່ຽນ hyperfine ຂອງ cosmic hydrogen ສະເຫນີເປັນເຄື່ອງມືທາງເລືອກໃນການສຶກສາຂອງຕົ້ນ ຈັກກະວານ. ສໍາລັບຍຸກທີ່ເປັນກາງຂອງເດັກນ້ອຍ ຈັກກະວານ ໃນເວລາທີ່ບໍ່ມີແສງສະຫວ່າງຖືກປ່ອຍອອກມາ, ເສັ້ນ 26 ຊມອາດຈະເປັນພຽງແຕ່ປ່ອງຢ້ຽມ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ເຫຼົ່ານີ້ redshifted ວິທະຍຸ ສັນຍານທີ່ປ່ອຍອອກມາໂດຍ hydrogen cosmic ໃນຕົ້ນປີ ຈັກກະວານ ອ່ອນເພຍທີ່ສຸດ ແລະ ມີຄວາມຍາກລຳບາກມາເຖິງຕອນນັ້ນ. 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 'ວິທະຍຸວິທະຍຸ 26 ຊັງຕີແມັດ' ຂຶ້ນສູ່ລະດັບແຖວໜ້າໃນການສຶກສາຕົ້ນໆ. ຈັກກະວານ ແລະຊ່ວຍພວກເຮົາຫຼາຍໃນການເປີດເຜີຍຄວາມລຶກລັບຂອງຕົ້ນ ຈັກກະວານ. 

ໃນເວລາທີ່ມັນມາກັບການສຶກສາຂອງ ຈັກກະວານຕົ້ນ, ຊື່ຂອງເປີດຕົວບໍ່ດົນມານີ້ James Webb Space Telescope (JWST) ປະກົດຂຶ້ນຢູ່ໃນໃຈຂອງພວກເຮົາ. JWST, ຜູ້ສືບທອດຂອງຜົນສໍາເລັດອັນໃຫຍ່ຫຼວງ Hubble telescope, ເປັນ ຊ່ອງ- ຫໍສັງເກດການອິນຟາເຣດທີ່ອີງໃສ່, ມີອຸປະກອນເພື່ອຈັບສັນຍານ optical/infrared ຈາກດາວຕົ້ນໆ ແລະ galaxies ສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນໃນ. Universe ທັນທີຫຼັງຈາກ Big Bang¹ທີ່ຢູ່ ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, JWST ມີ​ຂໍ້​ຈໍາ​ກັດ​ບາງ​ຢ່າງ​ມາ​ເຖິງ​ຕອນ​ນັ້ນ​ການ​ເກັບ​ກໍາ​ຂໍ້​ມູນ​ຈາກ​ຍຸກ​ທີ່​ເປັນ​ກາງ​ຂອງ​ ຈັກກະວານຕົ້ນ ເປັນຫ່ວງ.  

ຕາຕະລາງ: Epochs ໃນປະຫວັດສາດຂອງ ຈັກກະວານ ນັບຕັ້ງແຕ່ 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 ປີຫຼັງຈາກສຽງປັ້ງໃຫຍ່, ໄດ້ ຈັກກະວານ ເຕັມໄປດ້ວຍອາຍແກັສ ionised ແລະເປັນ opaque ຢ່າງເຕັມສ່ວນ. ລະຫວ່າງ 380k - 400 ລ້ານປີ, ໄດ້ ຈັກກະວານ ໄດ້ກາຍເປັນກາງ ແລະໂປ່ງໃສ. ຍຸກຂອງ reionisation ໄດ້ເລີ່ມຕົ້ນຫຼັງຈາກໄລຍະນີ້ເລີ່ມຕົ້ນ 400 ລ້ານຫຼັງຈາກສຽງປັ້ງໃຫຍ່.  

ໃນລະຫວ່າງຍຸກທີ່ເປັນກາງຂອງຕົ້ນ ຈັກກະວານ, ໃນ​ເວ​ລາ​ທີ່ ຈັກກະວານ ເຕັມໄປດ້ວຍອາຍແກັສທີ່ເປັນກາງແລະມີຄວາມໂປ່ງໃສ, ບໍ່ມີສັນຍານ optical ຖືກປ່ອຍອອກມາ (ເພາະສະນັ້ນເອີ້ນວ່າອາຍຸຊ້ໍາ). ອຸ​ປະ​ກອນ​ການ unionized ບໍ່​ປ່ອຍ​ແສງ​ສະ​ຫວ່າງ​. ນີ້ເຮັດໃຫ້ເກີດສິ່ງທ້າທາຍໃນການສຶກສາກ່ອນໄວອັນຄວນ Universe ຂອງຍຸກທີ່ເປັນກາງ. ແນວໃດກໍ່ຕາມ, ລັງສີໄມໂຄເວຟຂອງຄວາມຍາວຄື້ນ 21 ຊຕມ (ກົງກັບ 1420 MHz) ປ່ອຍອອກມາຈາກຄວາມເຢັນ, ເປັນກາງຂອງ hydrogen cosmic ໃນຊ່ວງເວລານີ້ເປັນຜົນມາຈາກການຫັນປ່ຽນ hyperfine (ຈາກ spin ຂະຫນານໄປ spin ຕ້ານຂະຫນານທີ່ຫມັ້ນຄົງຫຼາຍ) ສະເຫນີໂອກາດໃຫ້ນັກຄົ້ນຄວ້າ. ລັງສີໄມໂຄເວບ 21 ຊຕມນີ້ຈະຖືກປ່ຽນເປັນສີແດງເມື່ອມາຮອດໂລກ ແລະຈະສັງເກດເຫັນຢູ່ທີ່ຄວາມຖີ່ 200MHz ຫາ 10 MHz ເປັນຄື້ນວິທະຍຸ.^2,3.  

ວິທະຍຸດາລາສາດ 21 ຊມ: ການສັງເກດການສັນຍານ hydrogen cosmic 21 ຊັງຕີແມັດສະເຫນີວິທີການທາງເລືອກໃນການສຶກສາຂອງຕົ້ນ ຈັກກະວານ ໂດຍ​ສະ​ເພາະ​ແມ່ນ​ຂອງ​ໄລ​ຍະ epoch ເປັນ​ກາງ​ທີ່​ບໍ່​ມີ​ການ​ປ່ອຍ​ແສງ​ສະ​ຫວ່າງ​ໃດ​ຫນຶ່ງ​. ນີ້ຍັງສາມາດແຈ້ງໃຫ້ພວກເຮົາຮູ້ກ່ຽວກັບຟີຊິກໃຫມ່ເຊັ່ນ: ການແຜ່ກະຈາຍຂອງສານໃນໄລຍະເວລາ, ພະລັງງານຊ້ໍາ, ວັດຖຸຊ້ໍາ, ມະຫາຊົນ neutrino, ແລະອັດຕາເງິນເຟີ້.².  

ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ສັນຍານ 21-cm ປ່ອຍອອກມາໂດຍ hydrogen cosmic ໃນໄລຍະຕົ້ນ ຈັກກະວານ ໄລຍະແມ່ນເຂົ້າໃຈຍາກ. ຄາດ​ວ່າ​ຈະ​ມີ​ຄວາມ​ອ່ອນ​ແອ​ທີ່​ສຸດ (ປະມານ 1 ​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.  

ການພັດທະນານີ້ແມ່ນມີຄວາມສໍາຄັນເນື່ອງຈາກທ່າແຮງຂອງມັນເປັນຫນຶ່ງໃນເຄື່ອງມືທີ່ດີທີ່ສຸດ (ແລະປະສິດທິພາບຄ່າໃຊ້ຈ່າຍເກີນໄປ vis-a-vis ຊ່ອງ- ຫໍສັງເກດການເຊັ່ນ james webb) ສໍາ​ລັບ​ການ​ສຶກ​ສາ​ຂອງ​ຕົ້ນ​ ຈັກກະວານ ເຊັ່ນດຽວກັນກັບຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການນໍາເອົາຟີຊິກພື້ນຖານໃຫມ່.  

*** 

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 

***