Odkrywanie tajemnic wszechświata

Wizja artystyczna przedstawiająca pierwsze we Wszechświecie masywne, niebieskie gwiazdy zanurzone w gazowych włóknach. Na krawędziach kadru widać kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła.
Credit: N.R.Fuller, National Science Foundation

Dawno, dawno temu, jakieś 400 000 la po początku Wszechświata (Wielkim Wybuchu) wszechświat był ciemny. Nie było w nim żadnych gwiazd ani galaktyk, a cały wszechświat był wypełniony przede wszystkim neutralnym gazem wodorowym.

Następnie, przez kolejne 50-100 milionów lat grawitacja powoli skupiała najgęstsze regiony gazu, który z czasem zapadał się w niektórych miejscach w pierwsze gwiazdy.

Jakie były te pierwsze gwiazdy i kiedy powstały? Jak wpłynęły one na resztę wszechświata? To pytania, na które astronomowie i astrofizycy szukają odpowiedzi już od dawna.

[AdSense-A]

Teraz, po 12 latach wysiłków eksperymentalnych, zespół badaczy kierowany przez astronoma Judda Bowmana z ASU odkrył ślady najwcześniejszych gwiazd we Wszechświecie. Wykorzystując sygnały radiowe naukowcy odkryli pierwsze dowody na najstarszych przodków na naszym kosmicznym drzewie rodzinnym – gwiazdy, które powstały zaledwie 180 milionów lat po powstaniu wszechświata.

“Zanim udało nam się dokonać tego odkrycia, musieliśmy się zmierzyć z poważnymi wyzwaniami technicznymi, bowiem źródła szumu mogły być nawet tysiąc razy jaśniejsze niż poszukiwane przez nas sygnały – to tak jakby znajdować się w środku huraganu i próbować usłyszeć machanie skrzydeł kolibra” mówi Peter Kurczynski z National Science Foundation. “Ci astronomowie z małą anteną radiową postawioną na pustyni zajrzeli dalej niż najsilniejsze teleskopy kosmiczne, otwierając tym samym nowe okno na wczesny wszechświat”.

W każdym instrumencie, fale radiowe zbierane są przez antenę składającą się z dwóch prostokątnych paneli metalowych zainstalowanych poziomo na wspornikach z włókna szklanego nad metalową siatką. Badania EDGES wymagały absolutnej ciszy radiowej w Obserwatorium Radioastronomicznym Murchison. Źródło: CSIRO Australia

Aby odkryć te dowody, zespół Bowmana wykorzystał instrument naziemny, tzw. radiospektrometr zlokalizowany w Obserwatorium Radioastronomii Murchison (MRO) w Australii Zachodniej należący do CSIRO. W ramach swojego programu Experiment to Detect the Global EoR Signature (EDGES) zespół zmierzył średnie widmo radiowe wszystkich sygnałów astronomicznych na większości nieba południowego i poszukiwał w nim niewielkich zmian mocy w funkcji długości fali (częstotliwości).

Gdy fale radiowe docierają do anteny naziemnej, wzmacniane są przez odbiornik, a następnie digitalizowane i zapisywane przez komputer, podobnie do odbiorników radia FM i telewiji.  Różnica jest taka, że ten instrument jest bardo precyzyjnie skalibrowany i zaprojektowany do jak najbardziej identycznego zachowania na wielu zakresach promieniowania.

[AdSense-B]

 

Sygnały zarejestrowane przez radiospektrometr w ramach tych badań pochodziły od pierwotnego gazu wodorowego, który wypełniał młody wszechświat i wypełniał przestrzeń między wszystkimi gwiazdami i galaktykami.  Owe sygnały skrywają mnóstw informacji, które otwierają nowe okno na procesy formowania i ewolucji wczesnych gwiazd, a później także czarnych dziur i galaktyk.

“Mało prawdopodobne jest, aby udało nam się zajrzeć w jeszcze wcześniejsze etapy historii gwiazd za naszego życia” mówi Bowman. “Projekt ten dowodzi, że obiecująca nowa technika się sprawdza i toruje dla nowych odkryć astrofizycznych przez najbliższe kilka dekad”.

Zarejestrowanie tego sygnały dowodzi wyjątkowej ciszy radiowej MRO, szczególnie, że sygnały wykryte przez EDGES znajdują się w zakresie częstotliwości wykorzystywanym przez stacje radiowe FM. Australijskie przepisy ograniczają korzystanie z odbiorników radiowych w promieniu 260 km od lokalizacji teleskopu, co znacząco redukuje ilość interferencji, które w przeciwnym razie zagłuszyłyby poszukiwane sygnały.

Wyniki tego badania zostały niedawno opublikowane w Nature.

Wyniki eksperymentu potwierdzają ogólne teoretyczne oczekiwania co do tego kiedy pojawiły się pierwsze gwiazdy oraz najbardziej podstawowych właściwości wczesnych gwiazd.

“To co się dzieje w tym okresie” mówi współautor Alan Rogers z Obserwatorium Haystack, “to część promieniowania z absolutnie pierwszych gwiazd zaczyna umożliwiać dostrzeżenie wodoru. Sprawia ono, że wodór zaczyna pochłaniać promieniowanie tła, przez co możemy dostrzec go na określonych częstotliwościach radiowych. To pierwszy realny sygnał tego, że zaczynają powstać gwiazdy i zaczynają one wpływać na otaczającą je materię”.

Początkowo badacze z projektu EDGES ustawili swój instrument tak, aby zajrzeć w nieco późniejszy okres historii wszechświata, ale w 2015 roku postanowili rozszerzyć zakres poszukiwań. “Jak tylko przełączyliśmy nasz system na ten niższy zakres, zaczęliśmy dostrzegać coś, co czuliśmy, że może być prawdziwym sygnałem. Widzimy spadek najsilniejszy na 78 MHz, a ta częstotliwość odpowiada około 180 milionom lat po Wielkim Wybuchu.  Jeżeli chodzi o bezpośrednie wykrycie sygnału od gazu wodorowego, to ten jest zdecydowanie najwcześniejszym sygnałem w historii”.

Badania pozwoliły także stwierdzić, że gaz we wszechświecie był prawdopodobnie dużo chłodniejszy niż oczekiwano (jego temperatura jest ponad połowę niższa od oczekiwanej). To wskazuje, że albo teoretyczne prace astrofizyków czegoś nie uwzględniały, albo są to pierwsze dowody na niestandardową fizykę – a dokładniej na to, że bariony (normalna materia) mogła oddziaływać z ciemną materią i stopniowo tracić energię na rzecz ciemnej materii we wczesnym wszechświecie – to koncepcja po raz pierwszy zaproponowana przez Rennana Barnanę z Uniwersytetu w Tel Awiwie.

“Jeżeli Barkana ma rację” mówi Bowman, “to dowiedzieliśmy się czegoś nowego i fundamentalnego o tajemniczej ciemnej materii, która stanowi 85% materii we wszechświecie, po raz pierwszy zaglądając do fizyki poza modelem standardowym”.

Źródło: Arizona State University