Astronomer bestemmer, hvornår kosmisk daggry skete

Astronomer har afsløret et kosmisk levn fra tidens begyndelse, der afslører, hvornår de første stjerner tændte til liv. Derved, de har muligvis afsløret en pirrende anelse om, hvordan mørkt stof påvirkede vores tidlige univers.

Inden vi dykker ned i, hvad denne levning er, vi skal rejse tilbage til en tid lige efter Big Bang, som fandt sted for 13,8 milliarder år siden. Dengang, universet var et hvirvlende varmt rod af plasma, en tæt samling af stærkt ladede (eller ioniserede) partikler. Da plasmaet afkøledes og universet ekspanderede, neutralt brint (det mest basale atom bestående af en proton og en elektron) begyndte at danne cirka 370, 000 år efter at vores univers kom til live. Til sidst, denne neutrale hydrogengas klumpede sammen under tyngdekraften, udløser dannelsen af ​​de første stjerner, der brød ud med kraftige røntgenstråler.

Præcis da "kosmisk daggry" opstod, imidlertid, har været åben for debat. Det skete for længe siden, og det første lys fra de gamle babystjerner er alt for svagt til selv det mest avancerede observatorium at opdage.

En radioantenne i køleskabsstørrelse i det vestlige Australien har dog været med til at afklare debatten. Det er en del af eksperimentet til at opdage den globale epoke af reioniseringssignatur, eller KANTER. I deres kosmiske daggry -søgen, projektets forskere har haft travlt med at undersøge en anden kilde til gammel stråling kaldet den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB. Ofte kaldet Big Bangs efterglød, denne stråling fylder universet og kan blive opdaget, så det er praktisk at undersøge den tidligste epoke af vores universs eksistens.

Det vigtige signal:Et dyk i tiden

Lad os gå tilbage til de første dage i universet. Da CMB -fotoner rejste gennem det interstellare neutrale brint omkring det tidspunkt, hvor de første stjerner blev levende, et fingeraftryk med stjernefødsel var indlejret i disse fotoner. Milliarder af år senere, astronomer har netop set sit signal - et sigende "dip" ved en bestemt frekvens.

"Det er første gang, vi har set noget signal fra dette tidligt i universet, bortset fra efterglød af Big Bang, "fortalte astronomen Judd Bowman til Nature. Bowman, der arbejder på Arizona State University i Tempe, ledet undersøgelsen, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nature den 28. februar.

Det var ikke let at finde dette signal. Forskerne brugte to år på at bekræfte og genbekræfte deres fund, forsøger at afgøre, om signalet virkelig var et vindue ind i kosmisk daggry eller uheldig støj fra vores galakse. De måtte endda omhyggeligt udelukke radioforstyrrelser fra menneskelig aktivitet på og i nærheden af ​​Jorden.

"Efter to år, vi bestod alle disse tests, og kunne ikke finde nogen alternativ forklaring, "Bowman videresendte til naturen." På det tidspunkt, vi begyndte at mærke spænding. "

Det vigtige signal var et fald i CMB's energi med en frekvens på 78 megahertz. Her er hvorfor:Den kraftige røntgenstråling fra de tidligste stjerner ændrede adfærden for den neutrale hydrogengas i det interstellare rum. Derved, da CMB -fotoner rejste gennem denne hydrogengas, det absorberede en bestemt frekvens - så frem for at lede efter en bestemt emission, astronomer har ledt efter en bestemt type absorption, eller en vis frekvens af CMB -stråling, der manglede. Denne dukkert kunne kun have været forårsaget af de første røntgenstråler fra de tidligste stjerner.

Da universet udvider sig, over tid, dette absorberingsbånd er blevet strakt. Så, ved præcist at måle, hvor strakt denne dip er blevet, forskerne var i stand til at beregne, hvor gammel den er. Med al denne viden i hånden, de kunne regne ud, at de første stjerner blev født tidligst 180 millioner år efter Big Bang. Men det er ikke alt. Forskerne var i stand til at registrere det præcise tidspunkt, hvor signalet blev skiftet af .

De første stjerner levede hårde og hurtige liv, brænder lyst og dør hurtigt som supernovaer. Denne masse-afstødning genererede meget energiske røntgenstråler, øge temperaturen i det omgivende neutrale brint, afbryder dens karakteristiske CMB -absorptionsfrekvens. Dette skete omkring 250 millioner år efter Big Bang. Træde i kræft, denne forskning har åbnet et vindue til kosmisk daggry, en, der startede 180 millioner år efter vores univers blev født og sluttede 70 millioner år senere - en periode, der repræsenterer de første stjerners korte tidsrum.

Denne kosmiske arkæologigravning kunne revolutionere vores syn på de tidligste epoker i vores univers. Disse første stjerner var de fabrikker, der slog de første tunge grundstoffer ud, såning af vores univers med elementer, der ville fortsætte med at berige senere populationer af stjerner, producerer tungere og tungere elementer, der til sidst dannede den store menageri af stjernemateriale, planeter og, ultimativt, liv. Så, at se denne vigtige tid er at få et glimt af de første embryonale faser af vores universs mangfoldige kemi.

"Hvis vi virkelig ønsker at forstå den kosmiske stige i vores oprindelse, dette er et kritisk trin for at forstå, "tilføjede Bowman.

The Matter of Dark Matter

Dette værk ser ud til at have snublet over noget andet, også.

I en anden Nature -undersøgelse baseret på dette CMB -signal, en anden forskergruppe bemærker, at faldet ved 78 megahertz også er bemærkelsesværdigt for, hvor dramatisk det er. Selvom det kun repræsenterer en energidip på 0,1 procent, den dip er dobbelt så kraftfuld som teorien forudsiger. Dette kan betyde, at der var mere stråling end forudsagt ved kosmisk daggry, eller at det neutrale brint blev afkølet med noget . Hvis det sidste viser sig at være korrekt, at "noget" kunne være mørkt stof.

Som vi alle ved, mørkt stof er teoretiseret til at legemliggøre det meste af massen i universet. Gennem indirekte målinger, astronomer ved, at det er derude, men de kan bare ikke "se" det. Det interagerer så svagt, at vi kun kan opdage dets tyngdekraftsomdrejning. Men dybden af ​​denne CMB -dip kan være et signal fra virkningerne af mørkt stof omkring det tidspunkt, hvor de første stjerner dukkede op, tilbage når mørkt stof er teoretiseret til at være koldt.

Hvis dette viser sig at være tilfældet, ting er bare blevet endnu mere spændende:Hvis dybden af ​​denne dip forstærkes af koldt mørkt stof, det betyder, at partiklerne er mindre, end de nuværende modeller af mørkt stof forudsiger. Med andre ord, denne forskning kunne forfine søgen efter mørkt stof og forklare, hvorfor fysikere endnu ikke har fundet ud af, hvad det er.

"Hvis den idé bliver bekræftet, så har vi lært noget nyt og fundamentalt om det mystiske mørke stof, der udgør 85 procent af sagen i universet, "tilføjede Bowman i en erklæring." Dette ville give det første glimt af fysik ud over standardmodellen. "

Disse er utvivlsomt betydningsfulde opdagelser og kan revolutionere vores syn på kosmos, men forskerne påpeger, at dette kun er begyndelsen på mange års fokuseret forskning. I lyset af dip -opdagelsen, andre observatorier genindrettes for at studere denne interessante frekvens, såsom projektet Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), der ligger i Sydafrikas Karoo -ørken. European Low-Frequency Array (LOFAR) -projektet har til formål at gå et skridt videre og kortlægge signalet for at se, hvordan det varierer over himlen. Hvis mørkt stof forstærker dette signal, astronomer bør se et tydeligt mønster.

Selvom der er et stykke vej, før alle disse beviser lægger op til en revolutionær opdagelse, det er spændende at tænke på, at astronomer ikke lige har åbnet et vindue ind i kosmisk daggry; de har muligvis åbnet et vindue til oprindelsen af ​​mørkt stof, også.

Hastigheden af ​​universets ekspansion, kendt som Hubble -konstanten efter astronomen Edwin Hubble, har varieret i årtierne siden den først blev tænkt op. Den nuværende hastighed menes at være 73 kilometer (45,3 miles) i sekundet pr. Megaparsek. En megaparsek svarer til cirka 3,3 millioner lysår.