Universumin ensimmäisistä tähdistä on löydetty signaaleja – ja ne voisivat vihdoin avata pimeän aineen salaisuudet

Tämä taiteilijan kuvitus esittää maailmankaikkeuden ensimmäiset massiiviset siniset tähdet kaasumaisissa filamenteissa, kosmisen mikroaaltouunin tausta näkyy vain reunoilla. Luotto: N.R.Fuller, National Science Foundation

Pian alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli pimeä, vailla tähdet ja galakseja, jotka määrittelevät sen nykyään.

Seuraavien 100 miljoonan vuoden aikana painovoima veti tiheitä alueita varhaisen universumin neutraalista vedystä kaasua yhdessä, kunnes voima oli niin voimakas, että nämä kaasupallot romahtivat itseensä muodostaen tähdet. Salaisuuksien paljastaminen siitä, miltä nämä tähdet näyttivät ja miten ne muodostuivat, voisi antaa meille ennennäkemättömän käsityksen universumimme syntymisestä – ja olemme juuri ottaneet merkittävän askeleen siihen suuntaan.

12 vuoden tutkimuksen tuloksena tutkijaryhmä, jota johti ASU School of Earth and Space Exploration tähtitieteilijä Judd Bowman, on havainnut maailmankaikkeuden varhaisimpien tähtien "sormenjäljet", jotka muodostuivat vain 180 miljoonaa vuotta maailmankaikkeuden jälkeen alkoi. Kun otetaan huomioon, että maailmankaikkeutemme lähestyy 14 miljardia vuotta, tämä on suhteellinen pisara valtameressä sen iässä.

Katse varhaiseen universumiin

Vihje näiden tähtien sormenjälkien havaitsemiseen oli radioastronomiassa. Radiospektrometrin käyttäminen Australian kansallisessa tiedevirastossa (CSIRO) Murchison Radio-astronomyssa Länsi-Australiassa sijaitsevassa observatoriossa (MRO) ryhmä etsi pieniä muutoksia radion aallonpituuksissa spektri.

Kun radioaallot osuvat antenniin, vastaanotin vahvistaa niitä ennen kuin ne digitoidaan tallentaakseen ne tietokonetiedostoiksi, kuten FM- ja TV-vastaanottimet muuntavat signaaleja.

LUE SEURAAVA: Beyond the Big Bang: Millaista olisi ollut olla todistamassa maailmankaikkeuden syntyä?

 Ryhmä viritti instrumenttiaan alun perin katsomaan myöhemmin (eli äskettäin) kosmisessa ajassa, mutta vuonna 2015 se laajensi hakuaan. "Heti kun vaihdoimme järjestelmämme pienemmälle alueelle, aloimme nähdä asioita, jotka voisivat mielestämme olla todellinen allekirjoitus", tutkimuksen kirjoittaja Alan Rogers Massachusetts Institute of Technologyn Haystack Observatorysta sanoi. "Näemme tämän pudotuksen voimakkaimmin noin 78 megahertsissä, ja tämä taajuus vastaa noin 180 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

"Mitä tulee itse vetykaasusta tulevan signaalin suoraan havaitsemiseen, tämän on oltava aikaisinta."

Erityisesti tässä tutkimuksessa radiospektrometrin havaitsemat signaalit tulivat ns. alkukantaisista vetykaasua, jota olisi ollut runsaasti tässä vaiheessa varhaisessa universumissa ja joka täytti aukot ensimmäiset tähdet.

"Tämän havaitsemisen tekeminen oli suuri tekninen haaste, koska melun lähteet voivat olla tuhat kertaa signaalia kirkkaampia – se on kuin olisi keskellä hurrikaania ja yrittää kuulla hummingbirdin siiven räpyttelyä”, sanoi Peter Kurczynski, National Science Foundationin ohjelmavirkailija, joka tuki tätä. opiskella. "Nämä tutkijat, joilla on pieni radioantenni autiomaassa, ovat nähneet kauempana kuin tehokkaimmat avaruusteleskoopit, avaten uuden ikkunan varhaiseen universumiin."

Tulosten purkaminen

Tämän 12 vuoden kokeilun tulokset ovat merkittäviä useista syistä. Ensinnäkin signaalit antavat käsityksen siitä, miten varhaiset tähdet muodostuivat, ja avaavat teorioita, joita tähän asti ei ollut ilmeisen mahdotonta todistaa. Toiseksi, avaamalla vihjeitä ensimmäisten tähtien muodostumiseen, tähtitieteilijät voivat selvittää, miten galaksit, mustat aukot ja aurinkojärjestelmät kehittyivät. Tämä tutkimus voisi jopa paljastaa vaikeasti havaittavan pimeän aineen salaisuudet. Se on todellakin ennenkuulumatonta.

"On epätodennäköistä, että pystymme näkemään tähtien historiaa aikaisemmassa elämässämme", Bowman sanoi. "Tämä projekti osoittaa, että lupaava uusi tekniikka voi toimia, ja se on tasoittanut tietä vuosikymmeniä uusille astrofysikaalisille löydöksille."

LUE SEURAAVA: Puolet universumin puuttuvasta normaaliaineesta on löydetty

Tulokset vahvistavat yleiset teoreettiset odotukset ensimmäisten tähtien syntyajasta ja varhaisten tähtien perusominaisuudet.

"Tänä aikana tapahtuu", sanoi toinen kirjoittaja Rogers MIT: n Haystack Observatorysta, "että osa ensimmäisten tähtien säteilystä alkaa mahdollistaa vedyn näkemisen. Se aiheuttaa sen, että vety alkaa absorboida taustasäteilyä, joten alat nähdä sen siluetissa tietyillä radiotaajuuksilla. Tämä on ensimmäinen todellinen signaali siitä, että tähdet alkavat muodostua ja alkavat vaikuttaa ympäröivään väliaineeseen."

Tutkimus paljasti myös, että kaasu maailmankaikkeudessa oli todennäköisesti paljon odotettua kylmempää, jopa puolet odotetusta ja aiemmin oletetusta lämpötilasta.

"Ainoa tunnettu kosminen ainesosa, joka voi olla kylmempää kuin varhainen kosminen kaasu, on pimeä aine", Barkana selitti artikkelissaan. Baryonien ja pimeän aineen hiukkasten välinen mahdollinen vuorovaikutus, jonka ensimmäiset tähdet paljastivat. ”Syynä tähän on se, että pimeän aineen oletetaan olevan vuorovaikutuksessa itsensä ja pääasiassa baryonien kanssa painovoimaisesti, ja siksi sen odotetaan erottuvan termisesti hyvin varhaisessa universumissa ja jäähtyvän sen jälkeen."

"Jos Barkanan idea vahvistuu", jatkoi Bowman, "niin olemme oppineet jotain uutta ja perustavanlaatuista salaperäisestä pimeä aine, joka muodostaa 85 % maailmankaikkeuden aineesta ja tarjoaa ensimmäisen välähdyksen standardin ylittävästä fysiikasta malli."

"Nyt kun tiedämme tämän signaalin olemassaolon", Bowman sanoo, "meidän on saatava nopeasti verkkoon uusia radioteleskooppeja, jotka pystyvät louhimaan signaalia paljon syvemmin."

Tulokset on julkaistu v Luontokahdessa lehdessä