Låser op for universets hemmeligheder

Lang tid siden, omkring 400, 000 år efter universets begyndelse (Big Bang), universet var mørkt. Der var ingen stjerner eller galakser, og universet var primært fyldt med neutral brintgas.

Derefter, i de næste 50-100 millioner år, tyngdekraften trak langsomt de tætteste områder af gas sammen, indtil gassen til sidst kollapsede nogle steder og dannede de første stjerner.

Hvordan var de første stjerner, og hvornår blev de dannet? Hvordan påvirkede de resten af ​​universet? Det er spørgsmål, som astronomer og astrofysikere længe har overvejet.

Nu, efter 12 års eksperimenterende indsats, et hold af videnskabsmænd, ledet af ASU School of Earth and Space Exploration astronom Judd Bowman, har opdaget fingeraftryk af de tidligste stjerner i universet. Brug af radiosignaler, påvisningen giver det første bevis for de ældste forfædre i vores kosmiske stamtræ, født kun 180 millioner år efter universets begyndelse.

"Der var en stor teknisk udfordring at lave denne detektering, da støjkilder kan være tusinde gange lysere end signalet - det er som at være midt i en orkan og prøve at høre klappen af ​​en kolibris vinge." siger Peter Kurczynski, National Science Foundation-programmedarbejderen, der støttede denne undersøgelse. "Disse forskere med en lille radioantenne i ørkenen har set længere end de kraftigste rumteleskoper, åbner et nyt vindue på det tidlige univers."

Radio astronomi

For at finde disse fingeraftryk, Bowmans hold brugte et jordbaseret instrument kaldet et radiospektrometer, placeret ved Australiens nationale videnskabsagentur (CSIRO) Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO) i det vestlige Australien. Gennem deres eksperiment til at opdage den globale EoR-signatur (EDGES), holdet målte det gennemsnitlige radiospektrum af alle de astronomiske signaler, der blev modtaget over det meste af himlen på den sydlige halvkugle, og ledte efter små ændringer i effekt som funktion af bølgelængde (eller frekvens).

Når radiobølger trænger ind i den jordbaserede antenne, de forstærkes af en modtager, og derefter digitaliseret og optaget af computer, svarende til, hvordan FM-radiomodtagere og tv-modtagere fungerer. Forskellen er, at instrumentet er meget præcist kalibreret og designet til at fungere så ensartet som muligt på tværs af mange radiobølgelængder.

De signaler, der blev opdaget af radiospektrometeret i denne undersøgelse, kom fra oprindelig brintgas, der fyldte det unge univers og eksisterede mellem alle stjerner og galakser. Disse signaler rummer et væld af information, der åbner et nyt vindue om, hvor tidlige stjerner - og senere, sorte huller, og galakser - dannet og udviklet.

"Det er usandsynligt, at vi vil være i stand til at se noget tidligere ind i stjernernes historie i vores levetid, " siger Bowman. "Dette projekt viser, at en lovende ny teknik kan fungere og har banet vejen for årtiers nye astrofysiske opdagelser."

Denne detektering fremhæver den exceptionelle radiostøjsvaghed ved MRO, især da funktionen fundet af EDGES overlapper det frekvensområde, der bruges af FM-radiostationer. Australsk national lovgivning begrænser brugen af ​​radiosendere inden for 161,5 miles (260 km) fra stedet, væsentligt reduceret interferens, som ellers kunne overdøve følsomme astronomiobservationer.

Resultaterne af denne undersøgelse er for nylig blevet offentliggjort i Natur af Bowman, med medforfatterne Alan Rogers fra Massachusetts Institute of Technologys Haystack Observatory, Raul Monsalve fra University of Colorado, og Thomas Mozdzen og Nivedita Mahesh også fra ASU's School of Earth and Space Exploration.

Uventede resultater

Resultaterne af dette eksperiment bekræfter de generelle teoretiske forventninger til, hvornår de første stjerner blev dannet, og de mest grundlæggende egenskaber ved tidlige stjerner.

"Hvad sker der i denne periode, " siger medforfatter Rogers fra MIT's Haystack Observatory, "er, at noget af strålingen fra de allerførste stjerner begynder at tillade brint at blive set. Det får brint til at begynde at absorbere baggrundsstrålingen, så du begynder at se det i silhuet, ved bestemte radiofrekvenser. Dette er det første rigtige signal om, at stjerner begynder at dannes, og begynder at påvirke mediet omkring dem."

Holdet tunede oprindeligt deres instrument til at se senere i kosmisk tid, men besluttede i 2015 at udvide deres søgning. "Så snart vi skiftede vores system til dette lavere område, vi begyndte at se ting, som vi følte kunne være en ægte signatur, " siger Rogers. "Vi ser denne dyk stærkest ved omkring 78 megahertz, og den frekvens svarer til omkring 180 millioner år efter Big Bang, " siger Rogers. "Med hensyn til en direkte detektering af et signal fra selve brintgassen, dette må være det tidligste."

Undersøgelsen afslørede også, at gas i universet sandsynligvis var meget koldere end forventet (mindre end halvdelen af ​​den forventede temperatur). Dette tyder på, at enten astrofysikernes teoretiske indsats har overset noget væsentligt, eller at dette kan være det første bevis på ikke-standardfysik:Specifikt, at baryoner (normalt stof) kan have interageret med mørkt stof og langsomt mistet energi til mørkt stof i det tidlige univers, et koncept, der oprindeligt blev foreslået af Rennan Barkana fra Tel Aviv University.

"Hvis Barkanas idé bliver bekræftet, " siger Bowman, "så har vi lært noget nyt og fundamentalt om det mystiske mørke stof, der udgør 85 procent af stoffet i universet, giver det første glimt af fysik ud over standardmodellen."

De næste trin i denne forskningslinje er, at et andet instrument skal bekræfte dette holds opdagelse og fortsætte med at forbedre instrumenternes ydeevne, så man kan lære mere om de tidlige stjerners egenskaber. "Vi har arbejdet meget hårdt i de sidste to år for at validere påvisningen, " siger Bowman, "men at få en anden gruppe bekræfte det uafhængigt er en kritisk del af den videnskabelige proces."

Bowman vil også gerne se en acceleration af indsatsen for at bringe nye radioteleskoper som Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) og Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).

"Nu hvor vi ved, at dette signal eksisterer, " siger Bowman, "vi er nødt til hurtigt at bringe nye radioteleskoper online, der vil være i stand til at mine signalet meget dybere."

Antennerne og dele af modtageren, der blev brugt i dette eksperiment, blev designet og konstrueret af Rogers og MIT Haystack Observatory-teamet. ASU-teamet og Monsalve tilføjede det automatiske antennerefleksionsmålesystem til modtageren, udstyret styrehytten med elektronikken, konstruerede jordplanet og udførte feltarbejdet til projektet. Den nuværende version af EDGES er resultatet af mange års designgentagelse og løbende detaljeret teknisk forfining af kalibreringsinstrumenteringen for at nå de præcisionsniveauer, der er nødvendige for at opnå denne vanskelige måling.