Forskere kommer tættere på end nogensinde før for at signalere fra kosmisk daggry

For omkring 12 milliarder år siden, universet dukkede op fra en stor kosmisk mørk tidsalder, da de første stjerner og galakser lyste op. Med en ny analyse af data indsamlet af Murchison Widefield Array (MWA) radioteleskop, videnskabsmænd er nu tættere end nogensinde på at opdage den ultrasvage signatur af dette vendepunkt i den kosmiske historie.

I et papir på fortryksstedet ArXiv og vil snart blive offentliggjort i The Astrofysisk tidsskrift , forskere præsenterer den første analyse af data fra en ny konfiguration af MWA designet specifikt til at lede efter signalet om neutral brint, gassen, der dominerede universet under den kosmiske mørke tidsalder. Analysen sætter en ny grænse - den laveste grænse endnu - for styrken af ​​det neutrale brintsignal.

"Vi kan med tillid sige, at hvis det neutrale brintsignal var stærkere end den grænse, vi satte i avisen, så ville teleskopet have opdaget det, " sagde Jonathan Pober, en assisterende professor i fysik ved Brown University og tilsvarende forfatter på det nye papir. "Disse resultater kan hjælpe os med yderligere at begrænse tidspunktet for, hvornår den kosmiske mørke middelalder sluttede, og de første stjerner dukkede op."

Forskningen blev ledet af Wenyang Li, der udførte arbejdet som ph.d. elev hos Brown. Li og Pober samarbejdede med en international gruppe af forskere, der arbejdede med MWA.

På trods af dens betydning i den kosmiske historie, lidt er kendt om den periode, hvor de første stjerner dannedes, som er kendt som epoken for reionisering (EoR). De første atomer, der blev dannet efter Big Bang, var positivt ladede brintioner - atomer, hvis elektroner blev fjernet af spædbarnsuniversets energi. Da universet afkølede og udvidede sig, brintatomer genforenet med deres elektroner for at danne neutralt brint. Og det er næsten alt, der var i universet indtil for omkring 12 milliarder år siden, da atomer begyndte at klumpe sig sammen og danne stjerner og galakser. Lys fra disse objekter re-ioniserede det neutrale brint, får det stort set til at forsvinde fra det interstellare rum.

Målet med projekter som det, der sker på MWA, er at lokalisere signalet fra neutral brint fra den mørke middelalder og måle, hvordan det ændrede sig, efterhånden som EoR udfoldede sig. Hvis du gør det, kan det afsløre ny og kritisk information om de første stjerner - byggestenene i universet, vi ser i dag. Men at få et glimt af det 12 milliarder år gamle signal er en vanskelig opgave, der kræver instrumenter med udsøgt følsomhed.

Da det begyndte at fungere i 2013, MWA var en række af 2, 048 radioantenner arrangeret på tværs af det fjerntliggende landskab i det vestlige Australien. Antennerne er bundtet sammen til 128" fliser, " hvis signaler er kombineret af en supercomputer kaldet korrelatoren. I 2016, antallet af fliser blev fordoblet til 256, og deres konfiguration på tværs af landskabet blev ændret for at forbedre deres følsomhed over for det neutrale brintsignal. Dette nye papir er den første analyse af data fra det udvidede array.

Neutral brint udsender stråling ved en bølgelængde på 21 centimeter. Da universet har udvidet sig i løbet af de sidste 12 milliarder år, signalet fra EoR er nu strakt til omkring 2 meter, og det er, hvad MWA-astronomer leder efter. Problemet er, at der er utallige andre kilder, der udsender med samme bølgelængde - menneskeskabte kilder som digitalt tv såvel som naturlige kilder fra Mælkevejen og fra millioner af andre galakser.

"Alle disse andre kilder er mange størrelsesordener stærkere end det signal, vi forsøger at detektere, " sagde Pober. "Selv et FM-radiosignal, der reflekteres fra et fly, der tilfældigvis passerer over teleskopet, er nok til at forurene dataene."

For at komme ind på signalet, forskerne bruger et utal af forarbejdningsteknikker til at luge disse forurenende stoffer ud. På samme tid, de tegner sig for de unikke frekvensresponser af selve teleskopet.

"Hvis vi ser på forskellige radiofrekvenser eller bølgelængder, teleskopet opfører sig lidt anderledes, " sagde Pober. "Korrigering af teleskopets respons er helt afgørende for derefter at udføre adskillelsen af ​​astrofysiske forurenende stoffer og signalet af interesse."

Disse dataanalyseteknikker kombineret med selve teleskopets udvidede kapacitet resulterede i en ny øvre grænse for EoR-signalstyrken. Det er den anden på hinanden følgende bedste-grænse-til-dato-analyse, der udgives af MWA og vækker håb om, at eksperimentet en dag vil opdage det undvigende EoR-signal.

"Denne analyse viser, at fase to-opgraderingen havde mange af de ønskede effekter, og at de nye analyseteknikker vil forbedre fremtidige analyser, " sagde Pober. "Det faktum, at MWA nu har offentliggjort de to bedste grænser på signalet, giver momentum til ideen om, at dette eksperiment og dets tilgang har meget lovende."