Lang geleden, ongeveer 400, 000 jaar na het ontstaan ​​van het heelal (de oerknal), het universum was donker. Er waren geen sterren of sterrenstelsels, en het universum was voornamelijk gevuld met neutraal waterstofgas.

Vervolgens, voor de komende 50-100 miljoen jaar, de zwaartekracht trok langzaam de dichtste gasgebieden samen totdat het gas uiteindelijk op sommige plaatsen instortte om de eerste sterren te vormen.

Hoe zagen die eerste sterren eruit en wanneer zijn ze ontstaan? Hoe beïnvloedden ze de rest van het universum? Dit zijn vragen waar astronomen en astrofysici zich lang over hebben nagedacht.

Nutsvoorzieningen, na 12 jaar experimentele inspanning, een team van wetenschappers, onder leiding van ASU School of Earth and Space Exploration astronoom Judd Bowman, heeft de vingerafdrukken van de vroegste sterren in het heelal gedetecteerd. Met behulp van radiosignalen, de detectie levert het eerste bewijs voor de oudste voorouders in onze kosmische stamboom, geboren op slechts 180 miljoen jaar nadat het universum begon.

"Er was een grote technische uitdaging om deze detectie te maken, omdat geluidsbronnen duizend keer helderder kunnen zijn dan het signaal - het is alsof je midden in een orkaan zit en het gefladder van de vleugel van een kolibrie probeert te horen", zegt Peter Kurczynski, de programmamedewerker van de National Science Foundation die deze studie ondersteunde. "Deze onderzoekers met een kleine radioantenne in de woestijn hebben verder gekeken dan de krachtigste ruimtetelescopen, het openen van een nieuw venster op het vroege heelal."

Radioastronomie

Om deze vingerafdrukken te vinden, Bowman's team gebruikte een instrument op de grond, een radiospectrometer. gevestigd in het Australische National Science Agency (CSIRO) Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO) in West-Australië. Door hun experiment om de Global EoR Signature (EDGES) te detecteren, het team mat het gemiddelde radiospectrum van alle astronomische signalen die over het grootste deel van de hemel op het zuidelijk halfrond werden ontvangen en zocht naar kleine veranderingen in het vermogen als een functie van de golflengte (of frequentie).

Als radiogolven de grondantenne binnenkomen, ze worden versterkt door een ontvanger, en vervolgens gedigitaliseerd en geregistreerd door de computer, vergelijkbaar met hoe FM-radio-ontvangers en tv-ontvangers werken. Het verschil is dat het instrument zeer nauwkeurig is gekalibreerd en ontworpen om zo uniform mogelijk te presteren over veel radiogolflengten.

De signalen die de radiospectrometer in dit onderzoek detecteerde, waren afkomstig van het oerwaterstofgas dat het jonge heelal vulde en tussen alle sterren en sterrenstelsels bestond. Deze signalen bevatten een schat aan informatie die een nieuw venster opent over hoe vroege sterren - en later, zwarte gaten, en sterrenstelsels - gevormd en geëvolueerd.

"Het is onwaarschijnlijk dat we in ons leven eerder in de geschiedenis van sterren zullen kunnen kijken, ", zegt Bowman. "Dit project laat zien dat een veelbelovende nieuwe techniek kan werken en heeft de weg vrijgemaakt voor tientallen jaren van nieuwe astrofysische ontdekkingen."

Deze detectie benadrukt de uitzonderlijke radiostilte van de MRO, vooral omdat de functie die door EDGES is gevonden, het frequentiebereik overlapt dat door FM-radiostations wordt gebruikt. Australische nationale wetgeving beperkt het gebruik van radiozenders binnen 161,5 mijl (260 km) van de locatie, interferentie die anders gevoelige astronomische waarnemingen zou kunnen overstemmen aanzienlijk verminderen.

De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Natuur door Bowman, met co-auteurs Alan Rogers van het Haystack Observatory van het Massachusetts Institute of Technology, Raul Monsalve van de Universiteit van Colorado, en Thomas Mozdzen en Nivedita Mahesh ook van ASU's School of Earth and Space Exploration.

Onverwachte resultaten

De resultaten van dit experiment bevestigen de algemene theoretische verwachtingen over wanneer de eerste sterren werden gevormd en de meest elementaire eigenschappen van vroege sterren.

"Wat gebeurt er in deze periode, " zegt co-auteur Rogers van MIT's Haystack Observatory, "is dat een deel van de straling van de allereerste sterren waterstof begint te zien. Het zorgt ervoor dat waterstof de achtergrondstraling begint te absorberen, dus je begint het in silhouet te zien, op bepaalde radiofrequenties. Dit is het eerste echte signaal dat sterren zich beginnen te vormen, en beginnen het medium om hen heen te beïnvloeden."

Het team stemde oorspronkelijk hun instrument om later in kosmische tijd te kijken, maar in 2015 besloten om hun zoektocht uit te breiden. "Zodra we ons systeem overschakelden naar dit lagere bereik, we begonnen dingen te zien waarvan we dachten dat het een echte handtekening zou kunnen zijn, Rogers zegt. "We zien deze dip het sterkst bij ongeveer 78 megahertz, en die frequentie komt overeen met ongeveer 180 miljoen jaar na de oerknal, Rogers zegt. "In termen van een directe detectie van een signaal van het waterstofgas zelf, dit moet de vroegste zijn."

Uit het onderzoek bleek ook dat gas in het heelal waarschijnlijk veel kouder was dan verwacht (minder dan de helft van de verwachte temperatuur). Dit suggereert dat de theoretische inspanningen van astrofysici iets belangrijks over het hoofd hebben gezien of dat dit het eerste bewijs is van niet-standaard fysica:dat baryonen (normale materie) mogelijk een wisselwerking hebben gehad met donkere materie en langzaam energie verloren aan donkere materie in het vroege heelal, een concept dat oorspronkelijk werd voorgesteld door Rennan Barkana van de Universiteit van Tel Aviv.

"Als Barkana's idee wordt bevestigd, " zegt Boeman, "dan hebben we iets nieuws en fundamenteels geleerd over de mysterieuze donkere materie die 85 procent van de materie in het universum uitmaakt, het verstrekken van de eerste glimp van de natuurkunde buiten het standaardmodel."

De volgende stappen in deze onderzoekslijn zijn voor een ander instrument om de detectie van dit team te bevestigen en om de prestaties van de instrumenten te blijven verbeteren, zodat er meer te weten kan komen over de eigenschappen van vroege sterren. "We hebben de afgelopen twee jaar heel hard gewerkt om de detectie te valideren, " zegt Boeman, "maar het onafhankelijk laten bevestigen door een andere groep is een cruciaal onderdeel van het wetenschappelijke proces."

Bowman zou ook graag zien dat de inspanningen om nieuwe radiotelescopen op de markt te brengen, zoals de Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) en de Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA) worden versneld.

"Nu we weten dat dit signaal bestaat, " zegt Boeman, "we moeten snel nieuwe radiotelescopen online brengen die het signaal veel dieper kunnen ontginnen."

De antennes en delen van de ontvanger die in dit experiment werden gebruikt, zijn ontworpen en gebouwd door Rogers en het MIT Haystack Observatory-team. Het ASU-team en Monsalve hebben het geautomatiseerde meetsysteem voor antennereflectie aan de ontvanger toegevoegd, de controlehut uitgerust met de elektronica, bouwde het grondvlak en voerde het veldwerk voor het project uit. De huidige versie van EDGES is het resultaat van jarenlange ontwerpiteratie en voortdurende gedetailleerde technische verfijning van de kalibratie-instrumenten om de precisieniveaus te bereiken die nodig zijn om deze moeilijke meting met succes te bereiken.