Astronomer udvikler en ny måde at se de første stjerner gennem tågen fra det tidlige univers

Et hold astronomer har udviklet en metode, der vil give dem mulighed for at "se" gennem tågen fra det tidlige univers og opdage lys fra de første stjerner og galakser.

Forskerne, ledet af University of Cambridge, har udviklet en metode, der vil give dem mulighed for at observere og studere de første stjerner gennem brintskyerne, der fyldte universet omkring 378.000 år efter Big Bang.

At observere fødslen af ​​de første stjerner og galakser har været et mål for astronomer i årtier, da det vil hjælpe med at forklare, hvordan universet udviklede sig fra tomheden efter Big Bang til det komplekse rige af himmellegemer, vi observerer i dag, 13,8 milliarder år senere.

Square Kilometer Array (SKA) - et næste generations teleskop, der skal stå færdigt i slutningen af ​​årtiet - vil sandsynligvis være i stand til at lave billeder af det tidligste lys i universet, men for nuværende teleskoper er udfordringen at opdage det kosmologiske stjernernes signal gennem de tykke brintskyer.

Det signal, som astronomerne sigter efter at opdage, forventes at være cirka hundrede tusinde gange svagere end andre radiosignaler, der også kommer fra himlen - for eksempel radiosignaler, der stammer fra vores egen galakse.

Selve brugen af ​​et radioteleskop introducerer forvrængninger af det modtagne signal, hvilket fuldstændigt kan skjule det kosmologiske signal af interesse. Dette betragtes som en ekstrem observationsudfordring i moderne radiokosmologi. Sådanne instrument-relaterede forvrængninger er almindeligvis beskyldt for at være den største flaskehals i denne type observation.

Nu har det Cambridge-ledede hold udviklet en metodik til at se gennem de oprindelige skyer og andre himmelstøjsignaler og undgå den skadelige virkning af forvrængningerne introduceret af radioteleskopet. Deres metodologi, som er en del af REACH-eksperimentet (Radio Experiment for Analysis of Cosmic Hydrogen), vil give astronomer mulighed for at observere de tidligste stjerner gennem deres interaktion med brintskyerne, på samme måde som vi ville udlede et landskab ved at se på skygger i tåge.

Deres metode vil forbedre kvaliteten og pålideligheden af ​​observationer fra radioteleskoper, der ser på dette uudforskede nøgletidspunkt i universets udvikling. De første observationer fra REACH forventes senere i år.

Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Nature Astronomy .

"På det tidspunkt, hvor de første stjerner dannedes, var universet for det meste tomt og bestod for det meste af brint og helium," sagde Dr. Eloy de Lera Acedo fra Cambridges Cavendish Laboratory, avisens hovedforfatter.

Han tilføjede:"På grund af tyngdekraften kom grundstofferne til sidst sammen, og betingelserne var rigtige for kernefusion, hvilket er det, der dannede de første stjerner. Men de var omgivet af skyer af såkaldt neutral brint, som absorberer lys rigtig godt, så det er svært at opdage eller observere lyset bag skyerne direkte."

I 2018 offentliggjorde en anden forskergruppe (som kører "Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature" - eller EDGES) et resultat, der antydede en mulig påvisning af dette tidligste lys, men astronomer har ikke været i stand til at gentage resultatet - hvilket førte dem at tro, at det oprindelige resultat kan have været på grund af interferens fra det anvendte teleskop.

"Det oprindelige resultat ville kræve ny fysik for at forklare det, på grund af brintgassens temperatur, som burde være meget køligere end vores nuværende forståelse af universet ville tillade. Alternativt kan en uforklarlig højere temperatur af baggrundsstrålingen - typisk antages at være den velkendte kosmiske mikrobølgebaggrund – kunne være årsagen," sagde de Lera Acedo.

"Hvis vi kan bekræfte, at signalet fundet i det tidligere eksperiment virkelig var fra de første stjerner, ville implikationerne være enorme."

For at studere denne periode i universets udvikling, ofte omtalt som det kosmiske daggry, studerer astronomer 21-centimeter-linjen - en elektromagnetisk strålingssignatur fra brint i det tidlige univers. De leder efter et radiosignal, der måler kontrasten mellem strålingen fra brinten og strålingen bag brinttågen.

Metoden udviklet af de Lera Acedo og hans kolleger bruger Bayesiansk statistik til at detektere et kosmologisk signal i nærvær af interferens fra teleskopet og generel støj fra himlen, så signalerne kan adskilles.

For at gøre dette har det været nødvendigt med state-of-the-art teknikker og teknologier fra forskellige områder.

Forskerne brugte simuleringer til at efterligne en rigtig observation ved hjælp af flere antenner, hvilket forbedrer pålideligheden af ​​dataene – tidligere observationer har været afhængige af en enkelt antenne.

"Vores metode analyserer i fællesskab data fra flere antenner og over et bredere frekvensbånd end tilsvarende nuværende instrumenter. Denne tilgang vil give os den nødvendige information til vores Bayesianske dataanalyse," sagde de Lera Acedo.

"I det væsentlige glemte vi traditionelle designstrategier og fokuserede i stedet på at designe et teleskop, der passer til den måde, vi planlægger at analysere dataene på - noget som et omvendt design. Dette kunne hjælpe os med at måle ting fra det kosmiske daggry og ind i reioniseringens epoke , da brint i universet blev reioniseret."

Teleskopets konstruktion er i øjeblikket ved at blive færdiggjort i Karoo-radioreservatet i Sydafrika, et sted valgt på grund af dets fremragende forhold for radioobservationer af himlen. Det er langt væk fra menneskeskabt radiofrekvensinterferens, for eksempel tv- og FM-radiosignaler.

REACH-teamet på over 30 forskere er multidisciplinært og distribueret over hele verden med eksperter inden for områder som teoretisk og observationel kosmologi, antennedesign, radiofrekvensinstrumentering, numerisk modellering, digital behandling, big data og Bayesiansk statistik. REACH ledes i fællesskab af University of Stellenbosch i Sydafrika.

Professor de Villiers, medleder af projektet ved University of Stellenbosch i Sydafrika sagde:"Selvom antenneteknologien, der bruges til dette instrument, er ret enkel, gør det barske og fjerntliggende implementeringsmiljø og de strenge tolerancer, der kræves i fremstillingen, dette er et meget udfordrende projekt at arbejde på."

"Vi er ekstremt spændte på at se, hvor godt systemet vil fungere, og vi har fuld tillid til, at vi vil foretage den uhåndgribelige registrering."

Big Bang og meget tidlige tider af universet er velforståede epoker, takket være studier af Cosmic Microwave Background (CMB) stråling. Endnu bedre forstået er den sene og udbredte udvikling af stjerner og andre himmellegemer. Men tidspunktet for dannelsen af ​​det første lys i Kosmos er en grundlæggende manglende brik i puslespillet om universets historie. + Udforsk yderligere

Et hav af galakser venter:Ny COMAP-radioundersøgelse