science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Astronomen bepalen wanneer kosmische dageraad plaatsvond

Deze illustratie van de European Space Agency toont het tijdperk van reïonisatie. Waar je naar kijkt, van links naar rechts:het oudste licht van het heelal, de eerste sterren, het reïonisatieproces en de eerste sterrenstelsels. ESA - C. Carreau

Astronomen hebben een kosmisch overblijfsel uit het begin der tijden ontdekt dat onthult wanneer de eerste sterren tot leven kwamen. Daarbij, ze hebben misschien een verleidelijke aanwijzing onthuld over hoe donkere materie ons vroege universum beïnvloedde.

Voordat we ingaan op wat dit relikwie is, we moeten terug naar een tijd net na de oerknal, die 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond. Vroeger, het universum was een kolkende hete puinhoop van plasma, een dichte verzameling sterk geladen (of geïoniseerde) deeltjes. Terwijl het plasma afkoelde en het heelal uitdijde, neutrale waterstof (het meest basale atoom bestaande uit een proton en een elektron) begon ongeveer 370 te vormen, 000 jaar nadat ons universum tot leven kwam. Eventueel, dit neutrale waterstofgas klonterde samen onder de zwaartekracht, wat leidde tot de vorming van de eerste sterren die uitbarsten met krachtige röntgenstralen.

Precies toen 'kosmische dageraad' plaatsvond, echter, stond open voor discussie. Het is zo lang geleden gebeurd, en dat eerste licht van die oude babysterren is veel te zwak om zelfs door het meest geavanceerde observatorium te worden gedetecteerd.

Een radioantenne ter grootte van een koelkast in West-Australië heeft echter geholpen om het debat te beslechten. Het maakt deel uit van het experiment om het wereldwijde tijdperk van reïonisatiehandtekening te detecteren, of RANDEN. In hun zoektocht naar de kosmische dageraad, de onderzoekers van het project zijn druk bezig geweest met het onderzoeken van een andere bron van oude straling, de kosmische microgolfachtergrond, of de CMB. Vaak de nagloed van de oerknal genoemd, deze straling vult het heelal en kan gedetecteerd worden, dus het is handig om het vroegste tijdperk van het bestaan ​​van ons universum te onderzoeken.

Het allerbelangrijkste signaal:een duik in de tijd

Laten we teruggaan naar die vroege dagen van het universum. Terwijl de CMB-fotonen door de interstellaire neutrale waterstof reisden rond de tijd dat de eerste sterren tot leven kwamen, een vingerafdruk van stellaire geboorte was ingebed in deze fotonen. Miljarden jaren later, astronomen hebben zojuist zijn signaal gezien - een veelbetekenende "dip" op een specifieke frequentie.

"Dit is de eerste keer dat we een signaal van zo vroeg in het heelal hebben gezien, afgezien van de nagloed van de oerknal, " vertelde astronoom Judd Bowman aan Nature. Bowman, die werkt aan de Arizona State University in Tempe, leidde de studie die op 28 februari in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd.

Het vinden van dit signaal was geen gemakkelijke taak. De onderzoekers besteedden twee jaar aan het bevestigen en herbevestigen van hun bevindingen, proberen te bepalen of het signaal echt een venster was op de kosmische dageraad of ongelukkige ruis uit onze melkweg. Ze moesten zelfs nauwgezet radio-interferentie van menselijke activiteit op en nabij de aarde uitsluiten.

"Na twee jaar, we hebben al deze tests doorstaan, en kon geen alternatieve verklaring vinden, Bowman doorgegeven aan de natuur. Op dat moment, we begonnen opwinding te voelen."

Dat allerbelangrijkste signaal was een dip in de energie van de CMB met een frequentie van 78 megahertz. Dit is waarom:de krachtige röntgenstraling van de vroegste sterren veranderde het gedrag van het neutrale waterstofgas in de interstellaire ruimte. Daarbij, terwijl de CMB-fotonen door dit waterstofgas reisden, het absorbeerde een bepaalde frequentie - dus in plaats van te zoeken naar een specifieke emissie, astronomen hebben gezocht naar een specifiek type absorptie, of een bepaalde frequentie van CMB-straling die ontbrak. Deze dip kan alleen veroorzaakt zijn door de eerste röntgenuitbarstingen van de vroegste sterren.

Deze gedetailleerde, een volledig hemelbeeld van de eerste dagen van het universum is gemaakt met behulp van negen jaar aan gegevens verzameld door NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). De verschillende kleuren geven temperatuurschommelingen aan. Die veranderingen komen overeen met de zaden die zich zouden ontwikkelen tot de sterrenstelsels van ons universum. Wetenschapsteam NASA/WMAP

Terwijl het heelal uitdijt, overuren, deze absorptieband is uitgerekt. Dus, door precies te meten hoe uitgerekt deze dip is geworden, de onderzoekers konden berekenen hoe oud het is. Met al deze kennis in de hand, ze konden achterhalen dat de eerste sterren niet eerder dan 180 miljoen jaar na de oerknal werden geboren. Maar dat is niet alles. De onderzoekers konden het precieze tijdstip vastleggen waarop het signaal werd omgeschakeld uit .

Die eerste sterren leidden een hard en snel leven, helder branden en snel sterven als supernova's. Deze massale afsterving genereerde zeer energetische röntgenstralen, het verhogen van de temperatuur van de omringende neutrale waterstof, het afsnijden van zijn karakteristieke CMB-absorptiefrequentie. Dit gebeurde ongeveer 250 miljoen jaar na de oerknal. In werkelijkheid, dit onderzoek heeft een venster geopend naar de kosmische dageraad, een die 180 miljoen jaar na de geboorte van ons universum begon en 70 miljoen jaar later eindigde - een periode die de korte tijdspanne van de eerste sterren vertegenwoordigt.

Deze kosmische archeologische opgraving zou een revolutie teweeg kunnen brengen in onze kijk op de vroegste tijdperken van ons universum. Deze eerste sterren waren de fabrieken die de eerste zware elementen produceerden, ons universum bezaaien met elementen die latere populaties van sterren zouden verrijken, het produceren van steeds zwaardere elementen die uiteindelijk de enorme menagerie van stellaire objecten vormden, planeten en, uiteindelijk, leven. Dus, deze belangrijke tijd zien is een glimp opvangen van de eerste embryonale stadia van de diverse chemie van ons universum.

"Als we de kosmische ladder van onze oorsprong echt willen begrijpen, dit is een cruciale stap om te begrijpen, ’ voegde Boeman eraan toe.

De kwestie van donkere materie

Dit werk lijkt op iets anders te zijn gestuit, te.

In een ander Nature-onderzoek op basis van dit CMB-signaal, een andere onderzoeksgroep merkt op dat de dip bij 78 megahertz ook opmerkelijk is vanwege hoe dramatisch deze is. Hoewel het slechts een energiedip van 0,1 procent vertegenwoordigt, die dip is twee keer zo krachtig als de theorie voorspelt. Dit zou kunnen betekenen dat er meer straling was dan voorspeld bij kosmische dageraad, of dat de neutrale waterstof werd gekoeld door iets . Als dat laatste blijkt te kloppen, dat "iets" donkere materie zou kunnen zijn.

Zoals we allemaal weten, Er wordt aangenomen dat donkere materie het grootste deel van de massa in het universum belichaamt. Door indirecte metingen, astronomen weten dat het daarbuiten is, maar ze kunnen het gewoon niet "zien". Het interageert zo zwak dat we alleen zijn zwaartekracht kunnen detecteren. Maar de diepte van deze CMB-dip kan een signaal zijn dat afkomstig is van de effecten van donkere materie rond de tijd dat de eerste sterren opkwamen, terug naar de theorie dat donkere materie koud is.

Als dit het geval blijkt te zijn, dingen zijn zojuist nog spannender geworden:als de diepte van deze dip wordt versterkt door koude donkere materie, het betekent dat de deeltjes kleiner zijn dan de huidige modellen van donkere materie voorspellen. Met andere woorden, dit onderzoek zou de zoektocht naar donkere materie kunnen verfijnen en verklaren waarom natuurkundigen nog niet hebben ontdekt wat het is.

"Als dat idee wordt bevestigd, dan hebben we iets nieuws en fundamenteels geleerd over de mysterieuze donkere materie die 85 procent van de materie in het universum uitmaakt, " voegde Bowman toe in een verklaring. "Dit zou de eerste glimp van de natuurkunde bieden die verder gaat dan het standaardmodel."

Dit zijn ongetwijfeld belangrijke ontdekkingen die onze kijk op de kosmos radicaal kunnen veranderen, maar de onderzoekers wijzen erop dat dit slechts het begin is van vele jaren gericht onderzoek. In het licht van de duikontdekking, andere observatoria worden omgebouwd om deze interessante frequentie te bestuderen, zoals het Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA)-project in de Karoo-woestijn in Zuid-Afrika. Het European Low-Frequency Array (LOFAR)-project wil nog een stap verder gaan en het signaal in kaart brengen om te zien hoe het aan de hemel varieert. Als donkere materie dit signaal versterkt, astronomen zouden een duidelijk patroon moeten zien.

Hoewel er nog een lange weg te gaan is voordat al deze bewijsstukken een revolutionaire ontdekking vormen, het is opwindend om te bedenken dat astronomen niet alleen een venster hebben geopend naar de kosmische dageraad; ze hebben misschien een venster geopend naar de oorsprong van donkere materie, te.

Dat is nu interessant

De snelheid van de uitdijing van het universum, bekend als de Hubble-constante naar astronoom Edwin Hubble, is in de decennia sinds het voor het eerst werd bedacht, gevarieerd. De huidige snelheid wordt geschat op 73 kilometer (45,3 mijl) per seconde per megaparsec. Een megaparsec is gelijk aan ongeveer 3,3 miljoen lichtjaar.