Zespół naukowców pracujących z radioteleskopem Murchison Widefield Array (WMA) próbuje znaleźć sygnał z pierwszych gwiazd Wszechświata. Te pierwsze gwiazdy powstały po Ciemnych Wiekach Wszechświata. Aby znaleźć swoje pierwsze światło, naukowcy szukają sygnału z neutralnego wodoru, gazu, który dominował we Wszechświecie po ciemnych wiekach.
Utworzenie pierwszych gwiazd zajęło trochę czasu. Po Wielkim Wybuchu wszechświat był wyjątkowo gorący; zbyt gorąco, aby mogły powstać atomy. Bez atomów nie byłoby gwiazd. Dopiero około 377 000 lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat rozszerzył się i schłodził wystarczająco, by mogły powstać atomy, głównie obojętny wodór z niewielką ilością helu. (I ślady litu.) Potem, w Epoce Reionizacji, zaczęły powstawać najwcześniejsze gwiazdy.
Aby znaleźć nieuchwytny sygnał z tego neutralnego wodoru, MWA został ponownie skonfigurowany. MWA znajduje się w odległej Australii Zachodniej i miał 2048 anten radiowych ułożonych w 128 „kafelków”, kiedy zaczął działać w 2013 r. Aby polować na nieuchwytny neutralny sygnał wodoru, liczba płytek została podwojona do 256, a cała tablica była przestawiony. Wszystkie dane z tych odbiorników są podawane do superkomputera zwanego Korelatorem.
Nowy artykuł, który zostanie opublikowany w czasopiśmie Astrophysical Journal, przedstawia wyniki pierwszej analizy danych z nowo skonfigurowanej tablicy. Artykuł zatytułowany jest „Wyniki pierwszego spektrum EoR Mocy Fazy II sezonu MWA na Redshift 7.” Głównym badaczem jest Wenyang Li, doktorantka na Brown University.
Badania miały na celu zrozumienie siły sygnału z neutralnego wodoru. Analiza ustaliła najniższy jak dotąd limit dla tego sygnału, co jest kluczowym wynikiem w poszukiwaniu samego słabego sygnału.
„Możemy z całą pewnością stwierdzić, że gdyby neutralny sygnał wodoru był silniejszy niż limit, który ustaliliśmy w dokumencie, to teleskop by go wykrył” - powiedział Jonathan Pober, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Browna i odpowiadający autor nowy papier. „Te odkrycia mogą nam pomóc w dalszym ograniczeniu czasu, w którym kończy się kosmiczna ciemność i pojawiają się pierwsze gwiazdy”.
Pomimo czegoś, co wygląda na szczegółową oś czasu wydarzeń we wczesnym Wszechświecie, istnieją znaczne luki w naszym rozumieniu. Wiemy, że po mrocznych epokach rozpoczęła się Epoka Reionizacji. Wtedy powstawanie atomów doprowadziło do pojawienia się pierwszych struktur we Wszechświecie, takich jak gwiazdy, galaktyki karłowate i kwazary. Gdy te obiekty powstały, ich światło rozprzestrzeniło się przez Wszechświat, ponownie jonizując obojętny wodór. Następnie neutralny wodór zniknął z przestrzeni międzygwiezdnej.
Naukowcy chcą wiedzieć, jak zmienił się obojętny wodór, gdy Ciemne Wieki ustąpiły epoce Reionizacji i nastąpiła epoka Reionizacji. Pierwszymi gwiazdami, które powstały we Wszechświecie, były bloki konstrukcyjne struktury, którą dzisiaj widzimy, i aby je zrozumieć, naukowcy muszą znaleźć sygnał z tego wczesnego neutralnego wodoru.
Ale to nie jest łatwe. Sygnał jest słaby, a znalezienie go wymaga bardzo czułych detektorów. Chociaż neutralny wodór początkowo emitował swoje promieniowanie przy długości fali 21 cm, sygnał został rozciągnięty z powodu ekspansji Wszechświata. Teraz ma około 2 metrów. Ten 2-metrowy sygnał można teraz łatwo zgubić wśród wielu podobnych sygnałów, zarówno naturalnych, jak i spowodowanych przez człowieka. Właśnie dlatego MWA znajduje się w odległej Australii, aby odizolować go od możliwie największej liczby zakłóceń radiowych.
„Wszystkie pozostałe źródła są o wiele rzędów wielkości silniejsze niż sygnał, który próbujemy wykryć” - powiedział Pober. „Nawet sygnał radiowy FM, który odbija się od samolotu przelatującego nad teleskopem, wystarcza do skażenia danych”.
W tym momencie pojawia się moc obliczeniowa superkomputera korelatora. Ma on moc odrzucania zanieczyszczających sygnałów, a także wyjaśnia naturę samego MWA.
„Jeśli spojrzymy na różne częstotliwości radiowe lub długości fal, teleskop zachowuje się trochę inaczej” - powiedział Pober. „Korekta reakcji teleskopu jest absolutnie niezbędna do oddzielenia zanieczyszczeń astrofizycznych od sygnału zainteresowania”.
Rekonfiguracja tablicy, techniki analizy danych, moc superkomputera i ciężka praca naukowców przyniosły wyniki. W pracy przedstawiono nową górną granicę sygnału z neutralnego wodoru. To już drugi raz, kiedy naukowcy pracujący z MWA wydali nowy, bardziej precyzyjny limit. Przy dalszym postępie naukowcy mają nadzieję znaleźć sam nieuchwytny sygnał.
„Ta analiza pokazuje, że uaktualnienie drugiej fazy miało wiele pożądanych efektów i że nowe techniki analizy poprawią przyszłe analizy”, powiedział Pober. „Fakt, że MWA opublikował teraz dwa najlepsze ograniczenia sygnału, nadaje impet pomysłowi, że ten eksperyment i jego podejście mają wiele obiecujących możliwości”.
Więcej:
- Informacja prasowa: Naukowcy są bliżej niż kiedykolwiek, aby zasygnalizować kosmiczny świt
- Artykuł badawczy: Wyniki spektrum mocy EoR pierwszego sezonu MWA fazy II na Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epoka of Reionization
- Space Magazine: Early Galaxy Pinpoints Era Reionization
