Een signaal dat is veroorzaakt door de allereerste sterren die zich in het heelal hebben gevormd, is opgepikt door een kleine maar zeer gespecialiseerde radiotelescoop in de afgelegen West-Australische woestijn.

Details van de detectie worden onthuld in een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd en vertellen ons dat deze sterren slechts 180 miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd.

Het is mogelijk een van de meest opwindende astronomische ontdekkingen van het decennium. Een tweede Nature-paper die vandaag verschijnt, koppelt de bevinding aan mogelijk het eerste ontdekte bewijs dat donkere materie, waarvan men dacht dat het een groot deel van het universum uitmaakte, kunnen interageren met gewone atomen.

Afstemmen op het signaal

Deze ontdekking werd gedaan door een kleine radioantenne die werkte in de band van 50-100Mhz, die enkele bekende FM-radiostations overlapt (daarom staat de telescoop in de afgelegen WA-woestijn).

Wat is gedetecteerd is de absorptie van licht door neutraal atomair waterstofgas, die het vroege heelal vulde nadat het was afgekoeld van het hete plasma van de oerknal.

Op dit moment (180 miljoen jaar na de oerknal) dijde het vroege heelal uit, maar de dichtste gebieden van het heelal stortten in onder de zwaartekracht om de eerste sterren te maken.

De vorming van de eerste sterren had een dramatisch effect op de rest van het heelal. Ultraviolette straling van hen veranderde de elektronenspin in de waterstofatomen, waardoor het de achtergrondradio-emissie van het universum absorbeert met een natuurlijke resonantiefrequentie van 1, 420MHz, als het ware een schaduw werpen.

Nutsvoorzieningen, 13 miljard jaar later, die schaduw zou op een veel lagere frequentie worden verwacht, omdat het universum in die tijd bijna 18 keer is uitgebreid.

Een vroeg resultaat

Astronomen voorspelden dit fenomeen al bijna 20 jaar en zochten er al tien jaar naar. Niemand wist precies hoe sterk het signaal zou zijn of op welke frequentie te zoeken.

De meesten verwachtten dat het na 2018 nog een flink aantal jaren zou duren.

Maar de schaduw werd gedetecteerd op 78 MHz door een team onder leiding van astronoom Judd Bowman van de Arizona State University.

Verbazingwekkend genoeg werd deze radiosignaaldetectie in 2015-2016 gedaan door een kleine antenne (het EDGES-experiment), slechts enkele meters groot, gekoppeld aan een zeer slimme radio-ontvanger en signaalverwerkingssysteem. Het is nu pas gepubliceerd na grondige controle.

Dit is de belangrijkste astronomische ontdekking sinds de detectie van zwaartekrachtsgolven in 2015. De eerste sterren vertegenwoordigen het begin van alles wat complex is in het universum, het begin van de lange reis naar sterrenstelsels, zonnestelsels, planeten, leven en hersenen.

Het detecteren van hun handtekening is een mijlpaal en het bepalen van het exacte tijdstip van hun vorming is een belangrijke maatstaf voor de kosmologie.

Dit is een verbluffend resultaat. Maar het wordt beter en nog mysterieuzer en spannender.

Bewijs van donkere materie?

Het signaal is twee keer zo sterk als verwacht, daarom is het zo vroeg ontdekt. In de tweede Nature-paper, astronoom Rennan Barkana, van de Universiteit van Tel Aviv, zei dat het moeilijk uit te leggen is waarom het signaal zo sterk is, zoals het ons vertelt, is het waterstofgas op dit moment aanzienlijk kouder dan verwacht in het standaardmodel van kosmische evolutie.

Astronomen introduceren graag nieuwe soorten exotische objecten om dingen te verklaren (bijv. superzware sterren, zwarte gaten), maar deze produceren over het algemeen straling die de dingen in plaats daarvan heter maakt.

Hoe maak je de atomen kouder? Je moet ze in thermisch contact brengen met iets dat nog kouder is, en de meest levensvatbare verdachte is wat bekend staat als koude donkere materie.

Koude donkere materie is het fundament van de moderne kosmologie. Het werd in de jaren tachtig geïntroduceerd om uit te leggen hoe sterrenstelsels roteren - ze leken veel sneller te draaien dan door de zichtbare sterren kon worden verklaard en er was een extra zwaartekracht nodig.

We denken nu dat donkere materie gemaakt moet worden van een nieuw soort fundamenteel deeltje. Er is ongeveer zes keer meer donkere materie dan gewone materie en als het uit normale atomen was gemaakt, zou de oerknal er heel anders hebben uitgezien dan wordt waargenomen.

Wat betreft de aard van dit deeltje, en zijn massa, we kunnen alleen maar gissen.

Dus als koude donkere materie inderdaad botst met waterstofatomen in het vroege heelal en ze afkoelt, dit is een grote vooruitgang en zou ons ertoe kunnen brengen de ware aard ervan vast te stellen. Dit zou de eerste keer zijn dat donkere materie een andere interactie vertoont dan zwaartekracht.

Hier komt de 'maar'

Een waarschuwing is op zijn plaats. Dit waterstofsignaal is erg moeilijk te detecteren:het is duizenden keren zwakker dan het achtergrondgeluid van de radio, zelfs voor de afgelegen locatie in West-Australië.

De auteurs van het eerste Nature-artikel hebben meer dan een jaar besteed aan het doen van een groot aantal tests en controles om er zeker van te zijn dat ze geen fout hebben gemaakt. De gevoeligheid van hun antenne moet voortreffelijk worden gekalibreerd over de hele banddoorgang. De detectie is een indrukwekkende technische prestatie, maar astronomen over de hele wereld zullen hun adem inhouden totdat het resultaat wordt bevestigd door een onafhankelijk experiment.

Als het wordt bevestigd, zal dit de deur openen naar een nieuw venster op het vroege heelal en mogelijk een nieuw begrip van de aard van donkere materie door er een nieuw observatievenster in te verschaffen.

Dit signaal is gedetecteerd vanuit de hele lucht, maar in de toekomst kan het in de lucht in kaart worden gebracht, en de details van de structuren op de kaarten zouden ons dan nog meer informatie geven over de fysieke eigenschappen van de donkere materie.

Meer woestijnobservaties

De publicaties van vandaag zijn opwindend nieuws voor met name Australië. West-Australië is de meest radiostille zone ter wereld, en zal de toplocatie zijn voor toekomstige karteringswaarnemingen. De Murchison Widefield Array is nu in bedrijf, en toekomstige upgrades zouden precies zo'n kaart kunnen bieden.

Dit is ook een belangrijk wetenschappelijk doel van de Square Kilometre Array van meerdere miljarden dollars, gevestigd in West-Australië, dat zou veel meer getrouwe beelden van dit tijdperk moeten kunnen opleveren.

Het is buitengewoon opwindend om uit te kijken naar een tijd waarin we de aard van de eerste sterren kunnen onthullen en een nieuwe benadering via radioastronomie zullen hebben om donkere materie aan te pakken, die tot nu toe onhandelbaar is gebleken.

Laten we hopen dat de regeringen van de wereld, of in ieder geval Australië, kan de frequentie van 78 MHz vrij houden van popmuziek en talkshows, zodat we de geboorte van het universum kunnen blijven observeren.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.