Kosmisk daggry rummer svarene på mange af astronomiens største spørgsmål

Takket være de mest avancerede teleskoper, astronomer i dag kan se, hvordan objekter så ud for 13 milliarder år siden, omkring 800 millioner år efter Big Bang. Desværre, de er stadig ude af stand til at gennembore sløret fra den kosmiske mørke middelalder, en periode, der varede fra 370, 000 til 1 milliard år efter Big Bang, hvor universet var fyldt med lysslørende neutralt brint. På grund af dette, vores teleskoper kan ikke se, hvornår de første stjerner og galakser blev dannet - ca. 100 til 500 millioner år efter Big Bang.

Denne periode er kendt som det kosmiske daggry og repræsenterer den "endelige grænse" for kosmologiske undersøgelser for astronomer. Denne november, NASAs næste generation af James Webb Space Telescope (JWST) vil endelig opsendes til rummet. Takket være dens følsomhed og avancerede infrarøde optik, Webb vil være det første observatorium, der er i stand til at overvære fødslen af ​​galakser. Ifølge en ny undersøgelse fra Université de Genève, Schweiz, evnen til at se det kosmiske daggry vil give svar på nutidens største kosmologiske mysterier.

Forskningen blev ledet af Dr. Hamsa Padmanabhan, en teoretisk fysiker og Collaboratrice Scientifique II ved Université de Genève. Hun er også hovedefterforsker af Swiss National Science Foundation (SNSF) og modtager af 2017 Ambizione Grant (forskningsfinansiering tildelt af SNSF) for sit uafhængige projekt, med titlen "Probing the Universe:through reionization and beyond."

For nutidens astronomer og kosmologer, evnen til at observere det kosmiske daggry repræsenterer en mulighed for at besvare de mest varige kosmiske mysterier. Mens det tidligste lys i universet stadig er synligt i dag som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), hvad der fulgte kort derefter (og indtil omkring 1 milliard år efter Big Bang) har historisk set været usynligt for vores mest avancerede instrumenter.

Dette har holdt videnskabelige sind i mørket (ingen ordspil!) om flere vigtige kosmologiske spørgsmål. Ikke alene blev de første stjerner og galakser dannet under "den mørke middelalder, " gradvist at bringe lys til universet, det var også omkring dette tidspunkt, at "kosmisk genionisering" fandt sted. Denne overgangsperiode er, når næsten al den neutrale gas, der gennemtrængte universet, menes at være blevet til protoner og elektroner (alias baryoner), der udgør alt "normalt" stof.

Desværre, astronomer har ikke været i stand til at studere denne periode af kosmisk historie. Meget af problemet stammer fra, hvordan lys fra denne epoke er blevet rødforskudt til det punkt, hvor det er synligt i en del af radiospektret, der er utilgængeligt for moderne instrumenter (21-cm overgangslinjen). Men som Dr. Padmanabhan forklarede til Universe Today via e-mail, dette er ikke den eneste barriere for at studere det tidlige univers:

"Denne periode har hidtil unddraget os i observationer på grund af det høje niveau af følsomhed, der kræves for at foretage en påvisning af emissionen, kombineret med udfordringen med at detektere det ekstremt svage signal (som kommer fra brintgassen til stede i det tidlige univers) i nærværelse af forgrundsemission (mest fra vores egen galakse), som er omkring 4-5 størrelsesordener større end det signal, vi ønsker at måle."

Ved at studere de tidligste stjerner og galakser i dannelse, astronomer vil være i stand til at se, hvor 90 % af baryonisk (også kaldet "lysende" eller "normalt") stof i universet kom fra, og hvordan det udviklede sig til de storstilede kosmiske strukturer, vi ser i dag. Evnen til at modellere, hvordan universet udviklede sig fra denne periode og frem til i dag, giver også mulighed for at se indflydelsen fra mørkt stof og mørk energi direkte.

Fra dette, videnskabsmænd vil evaluere forskellige kosmologiske modeller, den mest accepterede af dem er Lambda-Cold Dark Matter (LCDM)-modellen. Sagde Dr. Padmanabhan:

"Adgang til denne epoke repræsenterer også et stort spring i vores kosmologiske informationsindhold. Dette skyldes, at det indeholder mindst 10, 000-100, 000 gange mere information, end der er tilgængelig på nuværende tidspunkt fra alle vores galakseundersøgelser indtil videre, samt hvad vi får fra Cosmic Microwave Background (CMB) strålingen. Det er i bund og grund det største datasæt, vi nogensinde kunne håbe på at have til at teste vores fysikmodeller! Vi kan udforske en række fascinerende fysikmodeller ud over vores standardmodel for kosmologi."

Disse omfatter modeller, der involverer ikke-standardversioner af Dark Matter (dvs. "varmt mørkt stof"), modificerede versioner af tyngdekraften, og inflationsteorier, der ikke involverer Dark Energy-Modified Newtonian Dynamics (MOND). I det væsentlige, videnskabsmænd vil være i stand til at se tyngdekraften og kosmisk ekspansion lige fra det øjeblik, hvor det hele begyndte (et par billioner af et sekund efter Big Bang). Årevis, det astronomiske samfund har spændt ventet på den dag, hvor James Webb endelig ville sende ud i rummet.

Meget af deres begejstring stammer fra det faktum, at observatoriets avancerede infrarøde optik og høje følsomhed vil gøre det muligt for det at observere de tidligste galakser, mens de stadig var i formation. Normalt, lyset fra galakserne ville blive sløret af alt det interstellare og intergalaktiske støv og gas, der ligger mellem dem og Jorden. Sammen med eksisterende og næste generations instrumenter, siger Dr. Padmanabhan, disse galakser vil kunne observeres for første gang:

"Misioner som JWST vil være i stand til at detektere ekstremt svage galakser, som blev dannet, da universet kun var en tiendedel af dets nuværende størrelse. Kombineret med radioundersøgelser som [Square Kilometer Array] SKA, dette vil give os et omfattende billede af de første lyskilder og deres udvikling over kosmisk tid. JWST giver dyb, 'blyantstråle'-lignende undersøgelser, hvis samlede synsfelt er af størrelsesordenen adskillige kvadratiske bueminutter, så det vil ikke få adgang til kosmologiske skalaer, men vil markant forbedre vores forståelse af de fysiske processer, der bidrog til reionisering."

"ALMA detekterer nu rutinemæssigt galakser i deres submillimeter linjeemission, såsom enkelt ioniseret kulstof, [CII] og dobbeltioniseret oxygen, [OIII], som begge er meget interessante prober for reionisering. Det kommende COMAP-Epoch of Reionization-eksperiment, som jeg er en del af, planlægger at få adgang til emission af kulilte (CO)-linje omkring midterste til slutstadier af reionisering, som er et glimrende spor af stjernedannelse. Forgrunde er ikke et så alvorligt problem for submillimeterlinjerne."

Dette er kendt som multi-messenger-tilgangen, hvor lyssignaler fra forskellige instrumenter og ved forskellige bølgelængder kombineres. Når det anvendes på det kosmiske daggry, siger Dr. Padmanabhan, denne tilgang er det mest lovende værktøj til at få indsigt i universet. Specifikt, opdagelse af gravitationsbølger fra de første supermassive sorte huller vil afsløre, hvordan disse oprindelige naturkræfter påvirkede den galaktiske evolution.

"Ved at kombinere dette med den viden om den måde, gassen og galakserne udvikler sig på, som vi opnår ved elektromagnetiske undersøgelser, dette vil give os et omfattende billede af Cosmic Dawn, " sagde han. "Det vil være afgørende for at besvare et enestående spørgsmål inden for kosmologi og astrofysik:hvordan opstod de første sorte huller, og hvad var deres bidrag til reionisering?"

Potentialet for at lave multi-messenger-kampagner, der kombinerer højfølsomme infrarøde signaler med radiosignaler, er en af ​​de mange måder, hvorpå astronomi skrider så hurtigt frem. Ud over mere sofistikerede instrumenter, astronomer vil også drage fordel af forbedrede metoder, mere sofistikerede maskinlæringsteknikker, og muligheder for og forskningssamarbejde.

Sidst men ikke mindst, evnen til at kombinere signaler fra forskellige arrays (og ved forskellige bølgelængder af elektromagnetisk energi) har allerede skabt nye muligheder for sofistikerede billedkampagner. Et godt eksempel på dette er Event Horizon Telescope (EHT) projektet, som er afhængig af 10 radioteleskoper verden over til at samle lys fra SMBH'er (som vores egen Skytten A*). I 2019, EHT tog det første billede af en SMBH; I dette tilfælde, den, der er placeret ved kernen M87 (Jomfruen En supergigantisk elliptisk galakse).

Muligheden for at udføre avanceret forskning vil florere i den nærmeste fremtid, og de opdagelser, vi står til at gøre, vil være intet mindre end revolutionære. Selvom der helt sikkert vil være nogle hikke undervejs og flere mysterier at løse, én ting er sikkert:fremtiden for astronomi bliver en meget spændende tid!