Forskere nærmer sig 12 milliarder år gamle signaler fra slutningen af ​​universets mørke tidsalder

I dag, stjerner fylder nattehimlen. Men da universet var i sin vorden, den indeholdt ingen stjerner overhovedet. Og et internationalt hold af videnskabsmænd er tættere end nogensinde på at opdage, at måle og studere et signal fra denne æra, der har rejst gennem kosmos lige siden den stjerneløse æra sluttede for omkring 13 milliarder år siden.

Det hold - ledet af forskere ved University of Washington, University of Melbourne, Curtin University og Brown University-rapporteret sidste år i Astrofysisk tidsskrift at det havde opnået en næsten 10 gange forbedring af radioemissionsdata indsamlet af Murchison Widefield Array. Teammedlemmer gennemsøger i øjeblikket dataene fra dette radioteleskop i det fjerne vestlige Australien for at finde et afslørende signal fra denne dårligt forståede "mørke alder" af vores univers.

At lære om denne periode vil hjælpe med at løse store spørgsmål om universet i dag.

"Vi tror, ​​at universets egenskaber i denne æra havde en stor effekt på dannelsen af ​​de første stjerner og satte gang i universets strukturelle træk i dag, " sagde teammedlem Miguel Morales, en UW professor i fysik. "Den måde, hvorpå stof blev fordelt i universet i den æra, formede sandsynligvis, hvordan galakser og galaktiske hobe er fordelt i dag."

Før denne mørke tidsalder, universet var varmt og tæt. Elektroner og fotoner fangede regelmæssigt hinanden, gør universet uigennemskueligt. Men da universet var mindre end en million år gammelt, elektron-foton interaktioner blev sjældne. Det ekspanderende univers blev mere og mere gennemsigtigt og mørkt, begynder sin mørke tidsalder.

Den stjerneløse æra varede i hundreder af millioner af år, hvor neutralt brint — brintatomer uden overordnet ladning — dominerede kosmos.

"Til denne mørke tidsalder, selvfølgelig er der ikke noget lysbaseret signal, vi kan studere for at lære om det – der var intet synligt lys!" sagde Morales. "Men der er et specifikt signal, vi kan kigge efter. Det kommer fra alt det neutrale brint. Vi har aldrig målt dette signal, men vi ved det er derude. Og det er svært at opdage, fordi i de 13 milliarder år, siden det signal blev udsendt, vores univers er blevet et meget travlt sted, fyldt med anden aktivitet fra stjerner, galakser og endda vores teknologi, der overdøver signalet fra den neutrale brint."

Det 13 milliarder år gamle signal, som Morales og hans team er ude efter, er elektromagnetisk radioemission, som den neutrale brint udsendte ved en bølgelængde på 21 centimeter. Universet har udvidet sig siden dengang, strækker signalet ud til næsten 2 meter.

Det signal skulle indeholde information om den mørke tidsalder og de begivenheder, der afsluttede den, sagde Morales.

Da universet kun var 1 milliard år gammelt, hydrogenatomer begyndte at aggregere og danne de første stjerner, bringe en ende på den mørke tidsalder. Lyset fra de første stjerner startede en ny æra - reioniseringens epoke - hvor energi fra disse stjerner omdannede meget af det neutrale brint til et ioniseret plasma. Det plasma dominerer det interstellare rum den dag i dag.

"Reioniseringens epoke og den mørke tidsalder forud for den er kritiske perioder for at forstå træk ved vores univers, som hvorfor vi har nogle områder fyldt med galakser og andre relativt tomme, fordelingen af ​​stof og potentielt endda mørkt stof og mørk energi, sagde Morales.

Murchison Array er holdets primære værktøj. Dette radioteleskop består af 4, 096 dipol antenner, som kan opfange lavfrekvente signaler som den elektromagnetiske signatur af neutral brint.

Men den slags lavfrekvente signaler er svære at opdage på grund af elektromagnetisk "støj" fra andre kilder, der hopper rundt i kosmos, inklusive galakser, stjerner og menneskelig aktivitet. Morales og hans kolleger har udviklet stadig mere sofistikerede metoder til at filtrere denne støj fra og bringe dem tættere på dette signal. I 2019, forskerne meddelte, at de havde bortfiltreret elektromagnetisk interferens – inklusive fra vores egne radioudsendelser – fra mere end 21 timers Murchison Array-data.

Bevæger sig fremad, holdet har omkring 3, 000 timers yderligere emissionsdata indsamlet af radioteleskopet. Forskerne forsøger at filtrere interferens fra og komme endnu tættere på det uhåndgribelige signal fra neutral brint - og den mørke tidsalder, det kan oplyse.