Étude de l'univers primordial : expérience REACH pour détecter une ligne insaisissable de 21 cm à partir de l'hydrogène cosmique 

L'observation de signaux radio à 26 cm, formés par la transition hyperfine de l'hydrogène cosmique, offre un outil alternatif à l'étude de l'univers primordial. Quant à l'époque neutre de l'univers naissant où aucune lumière n'était émise, les lignes de 26 cm ne sont peut-être qu'une fenêtre. Cependant, ces signaux radio décalés vers le rouge émis par l'hydrogène cosmique dans l'univers primitif sont extrêmement faibles et ont été insaisissables jusqu'à présent. En 2018, l'expérience EDGE a signalé la détection de signaux de 26 cm, mais les résultats n'ont pas pu être confirmés de manière indépendante. Le principal problème était la systématique des instruments et la contamination avec les autres signaux du ciel. L'expérience REACH doit employer une méthodologie unique pour surmonter le goulot d'étranglement. On espère que ce groupe de recherche sera en mesure de détecter de manière fiable ces signaux insaisissables dans un avenir proche. Si elle est couronnée de succès, l'expérience REACH pourrait placer la « radioastronomie à 26 cm » au premier plan dans l'étude de l'univers primitif et nous aider beaucoup à percer les mystères de l'univers primitif. 

En ce qui concerne l'étude de l'univers primitif, le nom du télescope spatial James Webb (JWST) récemment lancé nous vient à l'esprit. JWST, successeur du télescope Hubble, est un observatoire spatial infrarouge équipé pour capturer les signaux optiques/infrarouges des premières étoiles et galaxies formées dans l'Univers peu après le Big Bang.¹. Cependant, JWST a certaines limites en ce qui concerne la captation des signaux de l'époque neutre de l'univers primitif.  

Tableau : Époques de l'histoire de l'univers depuis le Big Bang  

(Source : Philosophie de la cosmologie - fond de 21 cm. Disponible sur http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

Jusqu'à 380 380 ans après le big bang, l'univers était rempli de gaz ionisé et était totalement opaque. Entre 400k et 400 millions d'années, l'univers était devenu neutre et transparent. L'époque de la réionisation a commencé après cette phase commençant XNUMX millions après le big bang.  

Pendant l'époque neutre de l'univers primitif, lorsque l'univers était rempli de gaz neutres et était transparent, aucun signal optique n'a été émis (d'où l'âge sombre). Le matériau syndiqué n'émet pas de lumière. Cela pose un défi dans l'étude de l'Univers primitif de l'époque neutre. Cependant, le rayonnement micro-onde d'une longueur d'onde de 21 cm (correspondant à 1420 MHz) émis par l'hydrogène cosmique froid et neutre à cette époque à la suite d'une transition hyperfine (du spin parallèle au spin anti-parallèle plus stable) offre des opportunités aux chercheurs. Ce rayonnement micro-onde de 21 cm serait décalé vers le rouge en atteignant la Terre et sera observé à des fréquences de 200 MHz à 10 MHz sous forme d'ondes radio^2,3.  

Radioastronomie 21 cm : L'observation de signaux cosmiques d'hydrogène à 21 centimètres offre une approche alternative à l'étude de l'univers primitif, en particulier de la phase d'époque neutre dépourvue de toute émission de lumière. Cela peut également nous informer sur de nouvelles physiques telles que la distribution de la matière dans le temps, l'énergie noire, la matière noire, les masses de neutrinos et l'inflation.².  

Cependant, les signaux de 21 cm émis par l'hydrogène cosmique au début de la phase de l'univers sont insaisissables. On s'attend à ce qu'il soit extrêmement faible (environ cent mille fois plus faible que les autres signaux radio émanant également du ciel). Par conséquent, cette approche en est encore à ses balbutiements.  

En 2018, des chercheurs avaient signalé la détection d'un tel signal radio à une fréquence de 78 MHz dont le profil était largement conforme aux attentes pour le signal de 21 centimètres émis par l'hydrogène cosmique primordial.⁴. Mais cette détection du signal radio primordial de 21 cm n'a pas pu être confirmée de manière indépendante, la fiabilité de l'expérience n'a donc pas pu être établie jusqu'à présent. Le principal problème semble être la contamination par les signaux radio de premier plan.  

Le dernier jalon est le rapport de l'expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique (REACH) le 21 juillet 2022. REACH utilisera une nouvelle approche expérimentale pour détecter ces signaux radio cosmiques faibles et insaisissables, offrant ainsi un nouvel espoir de confirmation des signaux cosmiques de 21 centimètres.  

L'expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique (REACH) est une expérience de 21 cm de moyenne dans le ciel. Cela vise à améliorer les observations en gérant les problèmes rencontrés par les instruments liés aux signaux systématiques résiduels dans les données. Il se concentre sur la détection et l'explication conjointe de la systématique avec les avant-plans et le signal cosmologique à l'aide des statistiques bayésiennes. L'expérience implique des observations simultanées avec deux antennes différentes, un système ultra-large bande (gamme de décalage vers le rouge d'environ 7.5 à 28) et un calibreur de récepteur basé sur des mesures sur le terrain.  

Ce développement est significatif compte tenu de son potentiel pour être l'un des meilleurs outils (et aussi rentable par rapport aux observatoires spatiaux comme James Webb) pour l'étude de l'univers primitif ainsi que la possibilité d'inaugurer une nouvelle physique fondamentale.  

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Références:  

1. Prasad U., 2021.Télescope spatial James Webb (JWST) : le premier observatoire spatial dédié à l'étude de l'univers primitif. Scientifique Européen. Publié le 6 novembre 2021. Disponible sur https://www.scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 

2. Pritchard JA et Loeb A., 2012. La cosmologie du 21 cm au 21e siècle. Reports on Progress in Physics 75 086901. Disponible sur https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Prépublication sur arXiv disponible sur https://arxiv.org/abs/1109.6012  version pdf  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. L'université d'Oxford. Philosophie de la cosmologie – fond de 21 cm. Disponible à http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Un profil d'absorption centré à 78 mégahertz dans le spectre moyenné par le ciel. Nature 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Le radiomètre REACH pour détecter le signal d'hydrogène à 21 cm à partir du décalage vers le rouge z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. Dévoiler les mystères de l'Univers infantile avec le radiomètre REACH. Disponible en ligne sur  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

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