अर्ली ब्रह्मांडचा अभ्यास: कॉस्मिक हायड्रोजनपासून मायावी २१-सेमी रेषा शोधण्यासाठी प्रयोग गाठा 

निरीक्षण 26 सें.मी रेडिओ कॉस्मिक हायड्रोजनच्या अतिसूक्ष्म संक्रमणामुळे तयार झालेले सिग्नल लवकर अभ्यासासाठी पर्यायी साधन देतात विश्व. अर्भकाच्या तटस्थ युगासाठी विश्व जेव्हा प्रकाश उत्सर्जित होत नव्हता, तेव्हा 26 सेमी रेषा कदाचित फक्त खिडकी असतात. तथापि, या redshift रेडिओ सुरुवातीच्या काळात कॉस्मिक हायड्रोजनद्वारे उत्सर्जित होणारे सिग्नल विश्व अत्यंत कमकुवत आहेत आणि आतापर्यंत मायावी आहेत. 2018 मध्ये, EDGE प्रयोगाने 26 सेमी सिग्नल शोधल्याचा अहवाल दिला परंतु निष्कर्षांची स्वतंत्रपणे पुष्टी होऊ शकली नाही. मुख्य समस्या म्हणजे उपकरणे पद्धतशीर आणि आकाशातील इतर सिग्नलसह दूषित होणे. रीच प्रयोग म्हणजे अडथळे दूर करण्यासाठी अनन्य पद्धती वापरणे. आशा आहे की नजीकच्या भविष्यात हा संशोधन गट विश्वासार्हपणे हे मायावी सिग्नल शोधण्यात सक्षम होईल. यशस्वी झाल्यास, REACH प्रयोग सुरुवातीच्या अभ्यासात '26 सेमी रेडिओ खगोलशास्त्र' आघाडीवर आणू शकेल विश्व आणि सुरुवातीच्या काळातील रहस्ये उलगडण्यात आम्हाला खूप मदत करा विश्व. 

चा अभ्यास येतो तेव्हा सुरुवातीचे विश्व, नुकतेच लाँच केलेले नाव जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (JWST) आपल्या मनात पॉप अप होते. JWST, प्रचंड यशस्वी उत्तराधिकारी हबल दुर्बिणी, आहे जागा- आधारित, अवरक्त वेधशाळा मध्ये तयार झालेल्या सुरुवातीच्या तारे आणि आकाशगंगांमधून ऑप्टिकल/इन्फ्रारेड सिग्नल कॅप्चर करण्यासाठी सुसज्ज विश्वाची बिग बँग नंतर लगेच¹. तथापि, JWST च्या तटस्थ युगातून सिग्नल उचलण्यापर्यंत काही मर्यादा आहेत सुरुवातीचे विश्व संबंधित आहे.  

सारणी: च्या इतिहासातील युग विश्व बिग बँग पासून  

(स्रोत: कॉस्मॉलॉजीचे तत्वज्ञान – 21 सेमी पार्श्वभूमी. येथे उपलब्ध http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg)  

महास्फोटानंतर 380 k वर्षांपर्यंत, द विश्व आयनीकृत वायूने ​​भरलेले होते आणि ते पूर्णपणे अपारदर्शक होते. 380k - 400 दशलक्ष वर्षे दरम्यान, द विश्व तटस्थ आणि पारदर्शक झाले होते. बिग बँगनंतर 400 दशलक्ष सुरू झालेल्या या टप्प्यानंतर पुनर्योनीकरणाचा युग सुरू झाला.  

लवकर तटस्थ युग दरम्यान विश्व, जेव्हा विश्व तटस्थ वायूंनी भरलेले होते आणि पारदर्शक होते, कोणतेही ऑप्टिकल सिग्नल उत्सर्जित होत नव्हते (म्हणून गडद युग म्हणतात). युनियनाइज्ड सामग्री प्रकाश सोडत नाही. यामुळे सुरुवातीच्या अभ्यासात आव्हान निर्माण होते विश्वाची तटस्थ युगाचा. तथापि, हायपरफाइन संक्रमणाचा परिणाम म्हणून या युगादरम्यान थंड, तटस्थ वैश्विक हायड्रोजनद्वारे उत्सर्जित 21 सेमी तरंगलांबीचे (1420 MHz शी संबंधित) मायक्रोवेव्ह रेडिएशन संशोधकांना संधी देते. हे 21 सेमी मायक्रोवेव्ह किरणोत्सर्ग पृथ्वीवर पोहोचल्यावर रेड शिफ्ट केले जाईल आणि रेडिओ लहरी म्हणून 200MHz ते 10 MHz फ्रिक्वेन्सीवर पाहिले जाईल.^2,3.  

21 सेमी रेडिओ खगोलशास्त्र: 21-सेंटीमीटर कॉस्मिक हायड्रोजन सिग्नलचे निरीक्षण सुरुवातीच्या अभ्यासासाठी पर्यायी दृष्टीकोन देते विश्व विशेषत: तटस्थ युगाच्या टप्प्याचा जो प्रकाश उत्सर्जन विरहित होता. हे आम्हाला नवीन भौतिकशास्त्राबद्दल देखील माहिती देऊ शकते जसे की कालांतराने पदार्थांचे वितरण, गडद ऊर्जा, गडद पदार्थ, न्यूट्रिनो वस्तुमान आणि चलनवाढ².  

तथापि, सुरुवातीच्या काळात वैश्विक हायड्रोजनद्वारे उत्सर्जित होणारे 21-सेमी सिग्नल विश्व टप्पा मायावी आहे. ते अत्यंत कमकुवत असणे अपेक्षित आहे (आकाशातून निघणाऱ्या इतर रेडिओ सिग्नलच्या तुलनेत सुमारे एक लाख पट कमकुवत). परिणामी, हा दृष्टिकोन अद्याप बाल्यावस्थेत आहे.  

2018 मध्ये, संशोधकांनी 78 मेगाहर्ट्झच्या वारंवारतेवर अशा रेडिओ सिग्नलचा शोध घेतल्याचा अहवाल दिला होता ज्याचे प्रोफाइल मुख्यत्वे आदिम वैश्विक हायड्रोजनद्वारे उत्सर्जित 21-सेंटीमीटर सिग्नलच्या अपेक्षेशी सुसंगत होते.⁴. परंतु आदिम 21-सेमी रेडिओ सिग्नलची ही ओळख स्वतंत्रपणे पुष्टी केली जाऊ शकली नाही म्हणून प्रयोगाची विश्वासार्हता आतापर्यंत स्थापित केली जाऊ शकली नाही. मुख्य समस्या फोरग्राउंड रेडिओ सिग्नलसह दूषित असल्याचे दिसते.  

21 जुलै 2022 रोजी कॉस्मिक हायड्रोजन (REACH) च्या विश्लेषणासाठी रेडिओ प्रयोगाचा अहवाल हा नवीनतम मैलाचा दगड आहे. REACH हे कमकुवत मायावी कॉस्मिक रेडिओ सिग्नल शोधण्यासाठी नवीन प्रायोगिक दृष्टीकोन वापरेल अशा प्रकारे 21-सेंटीमीटर कॉस्मिक सिग्नलच्या पुष्टीकरणासाठी एक नवीन आशा प्रदान करेल.  

The Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) is a sky-averaged 21-cm experiment. This aims to improve observations by managing issues faced by instruments related to residual systematic signals in the data. It focusses on detecting and jointly explaining the systematics together with the foregrounds and the cosmological signal using Bayesian statistics. The प्रयोग involves simultaneous observations with two different antennas, an ultra-wideband system (redshift range about 7.5 to 28) and a receiver calibrator based on in-field measurements.  

सर्वोत्तम साधनांपैकी एक असण्याची त्याची क्षमता लक्षात घेता हा विकास महत्त्वपूर्ण आहे (आणि त्या तुलनेत किफायतशीर देखील जागा-आधारित वेधशाळा जसे जेम्स वेब) सुरुवातीच्या अभ्यासासाठी विश्व तसेच नवीन मूलभूत भौतिकशास्त्राच्या प्रवेशाची शक्यता.  

*** 

संदर्भ:  

1. Prasad U., 2021.James Webb Space Telescope (JWST): पहिली अंतराळ वेधशाळा अर्ली युनिव्हर्सच्या अभ्यासाला समर्पित. वैज्ञानिक युरोपियन. 6 नोव्हेंबर 2021 रोजी पोस्ट केले. येथे उपलब्ध http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/ 

2. प्रिचार्ड जेए आणि लोएब ए., 2012. 21व्या शतकातील 21 सेमी कॉस्मॉलॉजी. भौतिकशास्त्रातील प्रगतीचे अहवाल 75 086901. येथे उपलब्ध https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. arXiv वर प्रीप्रिंट उपलब्ध आहे https://arxiv.org/abs/1109.6012  पीडीएफ आवृत्ती  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. ऑक्सफर्ड विद्यापीठ. कॉस्मॉलॉजीचे तत्वज्ञान - 21 सेमी पार्श्वभूमी. येथे उपलब्ध http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. बोमन, जे., रॉजर्स, ए., मोन्साल्वे, आर. व इतर. आकाश-सरासरी स्पेक्ट्रममध्ये 78 मेगाहर्ट्झवर केंद्रित शोषण प्रोफाइल. निसर्ग 555, 67–70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. रेडशिफ्ट z ≈ 21–7.5 वरून 28-सेमी हायड्रोजन सिग्नल शोधण्यासाठी रीच रेडिओमीटर. नॅट अॅस्ट्रॉन (२०२२). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022. REACH रेडिओमीटरसह शिशु विश्वाचे रहस्य उलगडत आहे. येथे ऑनलाइन उपलब्ध आहे  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

***