Et team af forskere, der arbejder med radioteleskopet Murchison Widefield Array (WMA), forsøger at finde signalet fra universets første stjerner. De første stjerner dannet efter universets mørke tid. For at finde deres første lys leder forskerne efter signalet fra neutralt brint, den gas, der dominerede universet efter mørketiden.
Det tog et stykke tid for de første stjerner at danne. Efter Big Bang var universet ekstremt varmt; for varmt til, at atomer dannes. Uden atomer kunne der ikke være nogen stjerner. Det var først omkring 377.000 år efter Big Bang, at universet havde ekspanderet og afkølet nok til at der dannes atomer, for det meste neutralt brint med lidt helium. (Og spor af lithium.) Derefter begyndte de tidligste stjerner at danne sig under Epok af Reionization.
For at finde det undgåelige signal fra det neutrale brint blev MWA-en ny konfigureret. MWA befinder sig i fjerntliggende Western Australia, og det havde 2048 radioantenner arrangeret i 128 “fliser”, da det begyndte drift i 2013. For at jage på det undvigende neutrale brintsignal blev antallet af fliser fordoblet til 256, og hele arrayet blev omarrangeret. Alle data fra disse modtagere indføres i en supercomputer kaldet Correlator.
En ny artikel, der skal offentliggøres i Astrophysical Journal, viser resultaterne fra den første analyse af data fra den nyligt konfigurerede matrix. Avisen har titlen "Første sæson MWA fase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7." Den førende forsker er Wenyang Li, en ph.d.-studerende ved Brown University.
Denne undersøgelse var rettet mod at forstå styrken af signalet fra det neutrale brint. Analysen satte den laveste grænse endnu for dette signal, et nøgleresultat i søgningen efter det svage signal.
”Vi kan med tillid sige, at hvis det neutrale brintsignal var noget stærkere end den grænse, vi satte i papiret, så ville teleskopet have opdaget det,” sagde Jonathan Pober, en adjunkt i fysik ved Brown University og tilsvarende forfatter på nyt papir. "Disse fund kan hjælpe os med yderligere at begrænse tidspunktet for, hvornår de kosmiske mørke tidsrum sluttede, og de første stjerner dukkede op."
På trods af, hvad der ligner en detaljeret tidslinje over begivenheder i det tidlige univers, er der betydelige huller i vores forståelse. Vi ved, at efter mørke tider begyndte genoptagelsens epoke. Det var da dannelsen af atomer førte til udseendet af de første strukturer i universet, som stjerner, dværggalakser og kvasarer. Efterhånden som disse objekter dannede sig, spredte deres lys gennem universet og genioniserede det neutrale brint. Derefter forsvandt det neutrale brint fra det interstellare rum.
Videnskabsfolk vil vide, hvordan det neutrale brint ændrede sig, da den mørke tidsalder gav plads til reoniseringens epoke, og genoptagelsens epok udfoldedes. De første stjerner, der dannedes i universet, var byggestener i den struktur, vi ser i dag, og for at forstå dem, er forskere nødt til at finde signalet fra det tidlige neutrale brint.
Men det er ikke let. Signalet er svagt, og det kræver ekstremt følsomme detektorer at finde det. Selvom det neutrale brint oprindeligt udsendte sin stråling med en bølgelængde på 21 cm, er signalet blevet strækket på grund af universets udvidelse. Det er nu ca. 2 meter. Det 2 meter lange signal går nu let tabt blandt en række andre signaler som det, både naturligt og menneskeligt forårsaget. Derfor er MWA i det fjerne Australien for at isolere det fra så meget radiostøj som muligt.
”Alle disse andre kilder er mange størrelsesordener stærkere end det signal, vi prøver at opdage,” sagde Pober. ”Selv et FM-radiosignal, der reflekteres fra et fly, der tilfældigvis passerer over teleskopet, er nok til at forurene dataene.”
Det er her processorkraften i Correlator-supercomputeren kommer ind. Den har styrken til at kassere forurenende signaler og også tage højde for arten af selve MWA.
”Hvis vi ser på forskellige radiofrekvenser eller bølgelængder, opfører teleskopet lidt anderledes,” sagde Pober. "Korrigering af teleskopresponsen er absolut kritisk for derefter at udføre adskillelsen af astrofysiske forurenende stoffer og signalet af interesse."
Omkonfigurationen af matrixen, dataanalyseteknikkerne, kraften i supercomputeren og forskernes hårde arbejde gav resultater. Papiret præsenterer en ny øvre grænse for signalet fra det neutrale brint. Dette er anden gang, at forskere, der arbejder med MWA, frigiver en ny, mere afstemt grænse. Med fortsatte fremskridt håber videnskabsmænd at finde det svigagtige signal.
"Denne analyse viser, at fase to-opgraderingen havde en masse af de ønskede effekter, og at de nye analyseteknikker vil forbedre fremtidige analyser," sagde Pober. ”Det faktum, at MWA nu har offentliggjort back-to-back de to bedste grænser for signalet giver momentum til tanken om, at dette eksperiment og dets tilgang har en masse løfte.”
Mere:
- Pressemeddelelse: Forskere er tættere end nogensinde før at signalere fra den kosmiske daggry
- Forskning Paper: Første sæson MWA fase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epok of Reionization
- Space Magazine: Early Galaxy Pinpoints Reionization Era
