Ongeveer 12 miljard jaar geleden, het universum kwam tevoorschijn uit een grote kosmische donkere tijd toen de eerste sterren en sterrenstelsels oplichtten. Met een nieuwe analyse van gegevens verzameld door de Murchison Widefield Array (MWA) radiotelescoop, wetenschappers zijn nu dichter dan ooit bij het detecteren van de uiterst vage signatuur van dit keerpunt in de kosmische geschiedenis.

In een paper op de preprint-site ArXiv en binnenkort gepubliceerd in The Astrofysisch tijdschrift , onderzoekers presenteren de eerste analyse van gegevens van een nieuwe configuratie van de MWA die speciaal is ontworpen om te zoeken naar het signaal van neutrale waterstof, het gas dat het heelal domineerde tijdens de kosmische donkere eeuw. De analyse stelt een nieuwe limiet - de laagste limiet tot nu toe - voor de sterkte van het neutrale waterstofsignaal.

"We kunnen met vertrouwen zeggen dat als het neutrale waterstofsignaal sterker was dan de limiet die we in de krant hebben gesteld, dan zou de telescoop het hebben gedetecteerd, " zei Jonathan Pober, een assistent-professor natuurkunde aan de Brown University en corresponderende auteur van het nieuwe artikel. "Deze bevindingen kunnen ons helpen om de timing van wanneer de kosmische donkere middeleeuwen eindigden en de eerste sterren tevoorschijn kwamen, verder te beperken."

Het onderzoek werd geleid door Wenyang Li, die het werk als Ph.D. student aan de Bruin. Li en Pober werkten samen met een internationale groep onderzoekers die samenwerkten met de MWA.

Ondanks het belang ervan in de kosmische geschiedenis, er is weinig bekend over de periode waarin de eerste sterren werden gevormd, die bekend staat als het Epoch of Reionization (EoR). De eerste atomen die zich na de oerknal vormden, waren positief geladen waterstofionen - atomen waarvan de elektronen werden weggestript door de energie van het jonge universum. Toen het heelal afkoelde en uitdijde, waterstofatomen herenigd met hun elektronen om neutrale waterstof te vormen. En dat is zo ongeveer alles wat er in het universum was tot ongeveer 12 miljard jaar geleden, toen atomen samen begonnen te klonteren om sterren en sterrenstelsels te vormen. Licht van die objecten re-ioniseerde de neutrale waterstof, waardoor het grotendeels uit de interstellaire ruimte verdwijnt.

Het doel van projecten zoals die bij MWA is om het signaal van neutrale waterstof uit de middeleeuwen te lokaliseren en te meten hoe het veranderde naarmate de EoR zich ontvouwde. Hierdoor zou nieuwe en kritische informatie over de eerste sterren kunnen worden onthuld - de bouwstenen van het universum dat we vandaag zien. Maar een glimp opvangen van dat 12 miljard jaar oude signaal is een moeilijke taak die instrumenten met een voortreffelijke gevoeligheid vereist.

Toen het in 2013 van start ging, de MWA was een array van 2, 048-radioantennes opgesteld over het afgelegen platteland van West-Australië. De antennes zijn gebundeld in 128" tegels, " waarvan de signalen worden gecombineerd door een supercomputer genaamd de Correlator. In 2016, het aantal tegels werd verdubbeld tot 256, en hun configuratie over het landschap werd gewijzigd om hun gevoeligheid voor het neutrale waterstofsignaal te verbeteren. Dit nieuwe artikel is de eerste analyse van gegevens uit de uitgebreide array.

Neutrale waterstof zendt straling uit met een golflengte van 21 centimeter. Omdat het heelal de afgelopen 12 miljard jaar is uitgebreid, het signaal van de EoR is nu uitgerekt tot ongeveer 2 meter, en dat is waar MWA-astronomen naar op zoek zijn. Het probleem is dat er talloze andere bronnen zijn die op dezelfde golflengte uitzenden:door mensen gemaakte bronnen zoals digitale televisie, maar ook natuurlijke bronnen van binnen de Melkweg en van miljoenen andere sterrenstelsels.

"Al deze andere bronnen zijn vele ordes van grootte sterker dan het signaal dat we proberen te detecteren, "Zei Pober. "Zelfs een FM-radiosignaal dat wordt gereflecteerd door een vliegtuig dat toevallig boven de telescoop passeert, is genoeg om de gegevens te besmetten."

Om in te spelen op het signaal, de onderzoekers gebruiken talloze verwerkingstechnieken om die verontreinigingen te verwijderen. Tegelijkertijd, ze zijn verantwoordelijk voor de unieke frequentieresponsen van de telescoop zelf.

"Als we naar verschillende radiofrequenties of golflengten kijken, de telescoop gedraagt ​​zich een beetje anders, "Zei Pober. "Het corrigeren van de telescooprespons is absoluut cruciaal om vervolgens de astrofysische verontreinigingen en het signaal van belang te scheiden."

Die data-analysetechnieken in combinatie met de uitgebreide capaciteit van de telescoop zelf resulteerden in een nieuwe bovengrens van de EoR-signaalsterkte. Het is de tweede opeenvolgende best-limit-to-date-analyse die door MWA is vrijgegeven en wekt de hoop dat het experiment op een dag het ongrijpbare EoR-signaal zal detecteren.

"Deze analyse toont aan dat de upgrade van fase twee veel van de gewenste effecten had en dat de nieuwe analysetechnieken toekomstige analyses zullen verbeteren, " Zei Pober. "Het feit dat MWA nu back-to-back de twee beste limieten op het signaal heeft gepubliceerd, geeft een impuls aan het idee dat dit experiment en de aanpak ervan veel belofte inhouden."