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

Observation de 26 cm Radio les signaux, formés en raison de la transition hyperfine de l’hydrogène cosmique, offrent un outil alternatif à l’étude des premiers univers. Quant à l'époque neutre du nourrisson univers lorsqu'aucune lumière n'est émise, les lignes de 26 cm ne sont peut-être qu'une fenêtre. Cependant, ces redshifts Radio signaux émis par l'hydrogène cosmique au début univers 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 par les autres signaux du ciel. L'expérience REACH consiste à utiliser une méthodologie unique pour surmonter le goulot d'étranglement. On espère que ce groupe de recherche sera capable de détecter de manière fiable ces signaux insaisissables dans un avenir proche. En cas de succès, l'expérience REACH pourrait placer la « radioastronomie de 26 cm » au premier plan dans l'étude des premiers univers et nous aide beaucoup à percer les mystères des débuts univers. 

Lorsqu’il s’agit d’étudier univers primitif, nom du récemment lancé Télescope spatial James Webb (JWST) surgit dans notre esprit. JWST, successeur d'un énorme succès Hubble télescope, est un espace-observatoire infrarouge équipé pour capturer les signaux optiques/infrarouges des premières étoiles et galaxies formées dans le Univers peu après le Big Bang1. Toutefois, JWST a certaines limites dans la mesure où il capte les signaux de l'époque neutre de univers primitif est concerné.  

Tableau : Époques de l'histoire de 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 XNUMX ans après le big bang, le univers était rempli de gaz ionisé et était entièrement opaque. Entre 380 400 et XNUMX millions d'années, le univers était devenu neutre et transparent. L'époque de la réionisation a commencé après cette phase, 400 millions après le big bang.  

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

Radioastronomie 21 cm : L'observation de signaux d'hydrogène cosmique de 21 centimètres offre une approche alternative à l'étude des premiers univers surtout de phase d'époque neutre qui était dépourvue de toute émission lumineuse. Cela peut également nous informer sur la nouvelle physique telle que la distribution de la matière dans le temps, l'énergie noire, la matière noire, les masses des neutrinos et l'inflation.2.  

Cependant, les signaux de 21 cm émis par l'hydrogène cosmique au début univers la phase est insaisissable. Il devrait être extrêmement faible (environ cent mille fois plus faible que les autres signaux radio émanant également du ciel). En conséquence, 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 céleste. 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 ainsi que des premiers plans et du signal cosmologique à l'aide de statistiques bayésiennes. Le expérience implique des observations simultanées avec deux antennes différentes, un système ultra-large bande (plage de redshift d'environ 7.5 à 28) et un calibrateur de récepteur basé sur des mesures sur le terrain.  

Ce développement est important étant donné qu'il a le potentiel d'être l'un des meilleurs outils (et également rentable par rapport aux espace-des observatoires comme James Webb) pour l'étude des premiers univers ainsi que la possibilité d'inaugurer une nouvelle physique fondamentale.  

*** 

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 http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 
  1. 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 
  1. L'université d'Oxford. Philosophie de la cosmologie – fond de 21 cm. Disponible à http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Journaliste scientifique | Rédacteur fondateur, magazine Scientific European

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