Dankzij de meest geavanceerde telescopen, astronomen kunnen vandaag de dag zien hoe objecten er 13 miljard jaar geleden uitzagen, ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal. Helaas, ze zijn nog steeds niet in staat om de sluier van de kosmische Middeleeuwen te doorbreken, een periode die duurde van 370, 000 tot 1 miljard jaar na de oerknal, waar het heelal werd overspoeld met licht verduisterende neutrale waterstof. Daarom, onze telescopen kunnen niet zien wanneer de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd - ca. 100 tot 500 miljoen jaar na de oerknal.

Deze periode staat bekend als de Kosmische Dageraad en vertegenwoordigt de "laatste grens" van kosmologische onderzoeken voor astronomen. deze november, NASA's volgende generatie James Webb Space Telescope (JWST) zal eindelijk naar de ruimte worden gelanceerd. Dankzij de gevoeligheid en geavanceerde infraroodoptiek, Webb zal het eerste observatorium zijn dat getuige kan zijn van de geboorte van sterrenstelsels. Volgens een nieuwe studie van de Université de Genève, Zwitserland, het vermogen om de Kosmische Dageraad te zien zal antwoorden geven op de grootste kosmologische mysteries van vandaag.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Hamsa Padmanabhan, een theoretisch fysicus en Collaboratrice Scientifique II aan de Université de Genève. Ze is ook de hoofdonderzoeker van de Swiss National Science Foundation (SNSF) en ontving de Ambizione Grant 2017 (onderzoeksfinanciering toegekend door de SNSF) voor haar onafhankelijke project, getiteld "Het heelal onderzoeken:door reïonisatie en verder."

Voor de astronomen en kosmologen van vandaag, het vermogen om de Kosmische Dageraad te observeren biedt een kans om de meest blijvende kosmische mysteries te beantwoorden. Hoewel het vroegste licht in het heelal vandaag de dag nog steeds zichtbaar is als de kosmische microgolfachtergrond (CMB), wat kort daarna volgde (en tot ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal) was historisch gezien onzichtbaar voor onze meest geavanceerde instrumenten.

Dit heeft wetenschappelijke geesten in het ongewisse gehouden (geen woordspeling!) over verschillende belangrijke kosmologische zaken. Niet alleen werden de eerste sterren en sterrenstelsels gevormd tijdens de "donkere middeleeuwen, " geleidelijk licht naar het universum brengen, het was ook rond deze tijd dat "Kosmische Reionisatie" plaatsvond. In deze overgangsperiode wordt aangenomen dat bijna al het neutrale gas dat het heelal doordringt, is veranderd in protonen en elektronen (ook bekend als baryonen) die alle "normale" materie vormen.

Helaas, astronomen hebben deze periode van de kosmische geschiedenis niet kunnen bestuderen. Een groot deel van het probleem komt voort uit hoe licht uit dit tijdperk roodverschoven is tot het punt waar het zichtbaar is in een deel van het radiospectrum dat ontoegankelijk is voor moderne instrumenten (de 21-cm overgangslijn). Maar zoals Dr. Padmanabhan via e-mail aan Universe Today uitlegde, dit is niet de enige belemmering voor het bestuderen van het vroege heelal:

"Deze periode is ons tot nu toe ontgaan bij waarnemingen vanwege het hoge niveau van gevoeligheid dat nodig is om de emissie te detecteren, gecombineerd met de uitdaging om het extreem zwakke signaal (dat afkomstig is van het waterstofgas in het vroege heelal) te detecteren in aanwezigheid van voorgrondemissie (meestal van ons eigen melkwegstelsel), dat ongeveer 4-5 orden van grootte groter is dan het signaal dat we wil meten."

Door de vroegste sterren en sterrenstelsels in formatie te bestuderen, astronomen zullen kunnen zien waar 90% van de baryonische (ook bekend als "lichtgevende" of "normale") materie in het heelal vandaan kwam en hoe het evolueerde tot de grootschalige kosmische structuren die we vandaag zien. Het vermogen om te modelleren hoe het heelal evolueerde van deze periode tot vandaag, biedt ook de mogelijkheid om de invloed van donkere materie en donkere energie direct te zien.

Van dit, wetenschappers zullen verschillende kosmologische modellen evalueren, het meest algemeen aanvaarde model is het Lambda-Cold Dark Matter (LCDM)-model. Dr. Padmanabhan zei:

"Toegang tot dit tijdperk betekent ook een enorme sprong voorwaarts in onze kosmologische informatie-inhoud. Dit komt omdat het minstens 10, 000-100, 000 keer meer informatie dan momenteel beschikbaar is uit al onze melkwegonderzoeken tot nu toe, evenals wat we krijgen van de Cosmic Microwave Background (CMB) straling. Het is in wezen de grootste dataset die we ooit zouden kunnen hopen te hebben voor het testen van onze natuurkundige modellen! We kunnen een reeks fascinerende natuurkundige modellen verkennen die verder gaan dan ons standaardmodel van kosmologie."

Deze omvatten modellen met niet-standaardversies van Dark Matter (d.w.z. "warme donkere materie"), aangepaste versies van zwaartekracht, en inflatietheorieën die geen gebruik maken van donkere energie—Modified Newtonian Dynamics (MOND). Eigenlijk, wetenschappers zullen zwaartekracht en kosmische expansie kunnen zien vanaf het moment dat het allemaal begon (enkele biljoensten van een seconde na de oerknal). Voor jaren, de astronomische gemeenschap heeft reikhalzend uitgekeken naar de dag waarop de James Webb eindelijk naar de ruimte zou worden gelanceerd.

Veel van hun opwinding komt voort uit het feit dat de geavanceerde infraroodoptiek en hoge gevoeligheid van het observatorium het mogelijk zullen maken om de vroegste sterrenstelsels waar te nemen terwijl ze nog in formatie waren. Gewoonlijk, het licht van de sterrenstelsels zou worden verduisterd door al het interstellaire en intergalactische stof en gas dat tussen hen en de aarde ligt. Samen met bestaande en volgende generatie instrumenten, zegt dr. Padmanabhan, deze sterrenstelsels zullen voor het eerst waarneembaar zijn:

"Missies zoals de JWST zullen in staat zijn om extreem zwakke sterrenstelsels te detecteren die zijn gevormd toen het heelal slechts een tiende van zijn huidige grootte was. Gecombineerd met radio-onderzoeken zoals de [Square Kilometre Array] SKA, dit zal ons een uitgebreid beeld geven van de eerste lichtbronnen en hun ontwikkeling in de kosmische tijd. JWST biedt diepe, 'potloodstraal'-achtige onderzoeken waarvan het totale gezichtsveld in de orde van enkele vierkante boogminuten ligt, zodat het geen toegang heeft tot kosmologische schalen, maar zal ons begrip van de fysieke processen die hebben bijgedragen aan reïonisatie aanzienlijk vergroten."

"De ALMA detecteert nu routinematig sterrenstelsels in hun submillimeterlijnemissie, zoals enkelvoudig geïoniseerde koolstof, [CII] en dubbel geïoniseerde zuurstof, [OIII], beide zijn zeer interessante sondes van reïonisatie. Het aanstaande COMAP-Epoch of Reionization-experiment, waarvan ik deel uitmaak, om toegang te krijgen tot de emissie van koolmonoxide (CO) rond de middelste tot eindstadia van reïonisatie, dat is een uitstekende tracer van stervorming. Voorgronden zijn niet zo'n groot probleem voor de submillimeterlijnen."

Dit staat bekend als de multi-messenger benadering, waar lichtsignalen van verschillende instrumenten en op verschillende golflengten worden gecombineerd. Wanneer toegepast op de Kosmische Dageraad, zegt dr. Padmanabhan, deze benadering is het meest veelbelovende hulpmiddel om inzicht te krijgen in het heelal. specifiek, het detecteren van zwaartekrachtsgolven van de eerste superzware zwarte gaten zal onthullen hoe deze oerkrachten van de natuur de galactische evolutie hebben beïnvloed.

"Door dit te combineren met de kennis van de manier waarop het gas en de sterrenstelsels evolueren die we verkrijgen door elektromagnetische onderzoeken, dit zal ons een uitgebreid beeld geven van Cosmic Dawn, " zei hij. "Het zal van cruciaal belang zijn bij het beantwoorden van een openstaande vraag in de kosmologie en astrofysica:hoe zijn de eerste zwarte gaten ontstaan, en wat was hun bijdrage aan de reïonisatie?"

Het potentieel om campagnes met meerdere berichten op te zetten die hooggevoelige infraroodsignalen combineren met radiosignalen, is een van de vele manieren waarop de astronomie zo snel vordert. Naast meer geavanceerde instrumenten, astronomen zullen ook profiteren van verbeterde methoden, meer geavanceerde machine learning-technieken, en mogelijkheden voor en gezamenlijk onderzoek.

Tenslotte, de mogelijkheid om signalen van verschillende arrays (en op verschillende golflengten van elektromagnetische energie) te combineren, heeft al nieuwe kansen gecreëerd voor geavanceerde beeldcampagnes. Een goed voorbeeld hiervan is het project Event Horizon Telescope (EHT), die vertrouwt op 10 radiotelescopen over de hele wereld om licht te verzamelen van SMBH's (zoals onze eigen Sagittarius A*). in 2019, de EHT nam de eerste foto van een SMBH; in dit geval, degene die zich in de kern M87 bevindt (de Maagd Een superreus elliptisch sterrenstelsel).

In de nabije toekomst zal er volop gelegenheid zijn om baanbrekend onderzoek te doen, en de ontdekkingen die we gaan doen, zullen ronduit revolutionair zijn. Hoewel er onderweg zeker wat haperingen zullen zijn en meer mysteries om op te lossen, één ding is zeker:de toekomst van de astronomie wordt een zeer spannende tijd!