Орчлон ертөнцөд хамгийн түгээмэл тархсан элемент нь устөрөгч юм. Уг элементийг та Менделеевийн Химийн үелэх системийн эхний дугаараас олох боломжтой. Устөрөгчийн атом нь цөмд байрлах нэг протон, түүнийг тойрох нэг электроноос тогтоно. Хэрвээ ойр орчинд, өөрөөр хэлбэл эргэн тойронд нь ямар нэгэн энергийн эх үүсвэр үгүй бол электрон хамгийн бага энергийн төлөвт оршдог. Бид бүгд үүнтэй дунд сургуулийн физик болон химийн хичээлээс танилцсан билээ.
Харин мэдэхгүй зүйл бол: Устөрөгчийн атомын электроны хамгийн бага энергийн төлөв хоёр салангид төлөвөөс тогтдог. Эдгээр төлөвүүд нь электроны спин цөмийн спинтэй нэг чиглэлд эсвэл эсрэг чиглэлд байрласан байх тохиолдлоос хамааран тодорхойлогдоно. Өөрөөр хэлбэл электроны спин цөмийн спинтэй ижил дээш чиглэлтэй байх, эсвэл харилцан эсрэг чиглэлд чиглэсэн байх хамгийн бага энергийн хоёр төлөв байх юм.
Эдгээр хоёр төлөв нь маш бага энергийн ялгаатай. Бага энергитэй фотоныг шингээх эсвэл цацруулах үзэгдлийн улмаас электроны спиний төлөв солигдохыг hyperfine шилжилт гэдэг. Дээрх үзэгдлийг явуулах фотоны энерги /гэрлийн бөөм/ нь 1420 Мега Герц давтамжтай эсвэл 21 см-н долгионы урттай байна.
Тайван байдалд байгаа устөрөгчийн атомын электроны спин харилцан эсрэг чиглэлд байх төлөвт оршдог. Хэрвээ 21 см-н долгионы урттай фотон атомтай харилцан үйлчлэлцвэл электрон фотоныг өөртөө шингээн цөмтэй ижил чиглэлтэй спинтэй байх төлөв рүү шилжинэ. Энэхүү 21см-н долгионы урттай фотоны шингээлтийг ажиглан бүртгэж авах нь EDGES туршилтын гол зорилго юм. Анхны гэрлийн эх үүсвэр бий болохоос өмнөх ертөнцийн эхэн үеийг "Харанхуй эрин" хэмээн нэрлэдэг. Энэ үед ертөнц нь Их тэсрэлтээс бий болсон өдгөө CMB /Сансрын Богино Долгионы Дэвсгэр Цацраг/ гэж нэрлэгдэх цацрагаар дүүрсэн байна. Хэдий CMB-н энерги энэ үед өндөр байсан ч 21 см-н долгионы урттай маш бага энергитэй фотонууд цөөн тоотойгоор оршин байна. Эдгээр фотоныг устөрөгчийн атом залгих боломжтой. Харин EDGES туршилтын зорилго нь 21см-н долгионы урттай фотон хэр олноор алга болсныг хэмжих явдал юм. Тэгвэл энэхүү устөрөгчийн атомын шингээлт нь бидэнд анхны одод хэзээ үүссэн тухайг судлах боломж олгодог. Үүнийг сайтар мэдэхийн тулд бид космологийн тухай сонирхох шаардлагатай болно.
Их тэсрэлтээс хойш ертөнц тэлсээр байгаа. Ертөнц тэлэхийн хирээр CMB-н энерги багасна (өөрөөр хэлбэл CMB фотонууд улаан шилжилт хийнэ). Энерги багасах тул температур мөн ертөнцийн хэмжээтэй урвуу хамаарлаар буурна. Энэхүү хамаарал нь ертөнцийн тэлэлтийн тогтмол a-р илэрхийлэгддэг, T ~ 1/a
Ертөнцийн эхэн үед устөрөгчийн атом, CMB фотонуудтай харилцан үйлчлэлд өндөр давтамжтай оролцох яваандаа устөрөгчийн атом болон CMB фотонууд ижил температуртай болох тул 21см-н шингээлт, цацаргалтын дохио эхэндээ ажиглагдахгүй. Цаг хугацаа өнгөрөн, анхны одод бий болох үеэс хэт ягаан фотонуудыг цацаргаж эхэлнэ. Хэдийгээр хэт ягаан фотонууд нь устөрөгчийн атомын энергийн 21см-н шилжилт явагдахад шаардагдах энергиэс өөр энергитэй ч Wouthuysen-Field механизмын тусламжтай спиний төлөвүүдийг өөрчилж болно. Үүний үр дүнд устөрөгчийн атом нь CMB-с бага температуртай болох ба CMB фотонуудыг өөртөө шингээж эхэлнэ. Энэхүү шингээлтийн дохио нь EDGES туршилтын бүртгэхээр ажиллаж буй дохионы эхлэл хэсэг юм. Үүний дараа оддоос цацрах дулааны улмаас устөрөгчийн атомууд нь халан CMB-с өндөр температуртай болох үед 21см долгионы урттай фотонуудыг цацруулж эхэлдэг. Энэ дохио нь EDGES туршилтын бүртгэхээр зорьж буй дохионы төгсгөл хэсэг болно.
Эндээс дүгнэхэд, EDGES туршилт нь хоёр төрлийн дохиог илрүүлэхээр ажиллаж байна. Эхнийх нь анхны оддоос цацарсан хэт ягаан фотонуудын улмаас CMB-с бага температурт шилжсэн устөрөгчийн атомын шингээлт, нөгөө нь анхны оддоос цацрах дулааны улмаас CMB-с өндөр температурт шилжсэн атомын цацаргалтын дохио юм. Гэсэн хэдий ч анхны оддын цацаргасан хэт ягаан фотон болон дулаан нь зэрэг явагдсан бол уг дохио ажиглагдах нь тун ховор тохиолдол болох билээ.
Харин EDGES туршилтын үр дүнгээр ийм үе байгааг харуулсан ба энэ нь ертөнцөд анх хэзээ од үүссэн тухай тодорхой мэдээллийг олгож байгаа юм. Мөн түүнчлэн өөр нэгэн сонирхолтой үр дүнг харуулж байгаа нь харанхуй материтай холбогдож байна.
Зурагт туршилтын үеэр долоон өөр детекторт хэмжигдсэн үр дүнг харуулав. Хэдий дэвсгэр шуугиан ба сонирхож буй дохионы харьцаа өндөр ч бүх бүртгэгчид "шингээлт" ажиглагдсан байна. 21 см долгионы урттай фотонууд нь дэлхийд ирэх үедээ улаан шилжилт болох тул өөр өөр давтамжийн мужуудад хэмжигджээ. Өөр өөр улаан шилжилтүүд нь ертөнцийн насны өөр өөр үеүдэд хамаарагдана. Ертөнцийн насны хэмжээ (Их тэсрэлтээс хойш) графикийн дээд тэнхлэгт дүрслэгдсэн бол доод тэнхлэгт улаан шилжилтийн хэмжээг харуулжээ.
Графикаас дүгнэвэл, хэт ягаан фотон цацруулж эхэлсэн анхны одод нь их тэсрэлтээс хойш 170-180 сая жилийн дараа бий болсныг харуулж байгаа ба энэ нь улаан шилжилтийн 20 утгатай дүйнэ. Их тэсрэлтээс хойш ойролцоогоор 270 сая жилийн дараагаас эхлэн өмнө дурдсан "ус төрөгчийн атомууд оддоос цацрах дулааны улмаас халах" үзэгдэл явагджээ. Энэхүү анхны хэмжилт нь өмнө нь зөвхөн онолчдын "толгойд" байсан шилжилтийн цаг хугацааг туршлагаар тодорхойлох боломжийг олгож буйгаараа чухал ач холбогдолтой юм.
Түүнчлэн туршлагын нэгэн том ач холбогдол нь өмнө таамаглаж байсан онолын утгаас EDGES туршилтын бүртгэсэн дохио илүү "хүчтэй" байжээ. Хэн ч өмнө нь ийм байж болох тухай төсөөлж байсангүй. Энэ нь EDGES туршилт Харанхуй үе хэзээ дууссаныг тодорхойлох боломжийг олгоод зогсохгүй өөр нэгэн шинэ физикийн таамаглалыг дэвшүүлж байна. Туршилтаар хэмжигдсэн ус төрөгчийн атомын шингээлтийн температур нь онолын таамаглалаас ойролцоогоор хоёр дахин бага хэмжээтэй байв. Өөрөөр хэлбэл CMB фотонууд бий болсноос хойш ертөнц зөвхөн тэлэх процесс хийх ба энэ нь физикийн хэлээр адиабат процесс юм. Иймээс устөрөгчийн атом таамагласан утгаас бага температуртай байгаа нь өөр ямар нэгэн харилцан үйлчлэлийн улмаас температураа илүү алдахад хүрчээ. Өөрөөр хэлбэл устөрөгчийн атом илүү хөрөхийн тулд энергиэ алдах шаардлагатай ба өөрөөсөө бага энергитэй /температуртай/ биеттэй харилцан үйлчлэлд орох шаардлагатай. Тухайн үед ертөнцөд зөвхөн хоёр төрлийн матери л оршиж байсан гэж үздэг. Нэг нь гелийн атомууд бол нөгөө нь харанхуй матери!
Харанхуй матери орчлон ертөнцийн нийт массын 80 орчим хувийг бүрдүүлэх ба цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд ордоггүй бололтой юм. Харанхуй матери оршин байгаа нь туршлагаар баталгаажиж байгаа ч түүнийг бүрдүүлэгч бөөмс, тэдгээрийн шинж чанарын тухай ойлголтууд хангалттай хэмжээнд хүрээгүй байна. Хэрвээ EDGES туршилтын үр дүн дэх устөрөгчийн атомын нэмэлт хөрөлт харанхуй материас болсон бол энэ нь харанхуй матери устөрөгчийн атомаас ч бага температуртай болохыг илтгэнэ. Энэхүү үр дүн нь цаашдаа баталгаажвал харанхуй матери устөрөгчийн атомтай гравитацаас өөр төрлийн харилцан үйлчлэлд орсон байхыг илтгэх юм.
Харанхуй матери цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд орохгүй тул энэхүү харилцан үйлчлэл нь цөмийн сул эсвэл хүчтэй харилцан үйлчлэл, аль эсвэл өөр шинэ төрлийн харилцан үйлчлэлд орсон ч байж болно. Хэдийгээр цөмийн сул болох хүчтэй харилцан үйлчлэл нь маш ховор явагддаг ч ертөнцийн эхэн үеийн өндөр нягттай төлөв нь тэдгээр харилцан үйлчлэл явагдахад хангалттай нөхцөлийг бүрдүүлсэн байх боломжтой. Дараа дараагийн туршилтын үр дүнгүүдээр өмнөх үр дүнгүүд батлагдвал харанхуй матери болон энгийн материйн харилцан үйлчлэлд хязгаар тогтоох боломжийг эрдэмтдэд олгох болно. Тиймээс дараа дараагийн туршилтаар өмнөх үр дүнг бататгах шаардлагатайг EDGES туршилтын багийнхан тодотгож байна.
Устөрөгчийн атомын температур онолын таамаглалаас хоёр дахин бага хэмжээтэй байгаа нь мөн харанхуй материас болсон байх албагүй ч байж болно. Мөн түүнчлэн туршлагын дохио болон дэвсгэр шуугианы харьцаа өндөр байгаа нь туршлагын нарийвчлалыг сайжруулах шаардлагатайг харуулж байгаа юм. Магадгүй туршлагын нарийвчлал сайжирмагц өмнөх үр дүн алга болохыг EDGES туршилтын багийнхан үгүйсгээгүй байна.
Физик, технологийн хүрээлэн
