Een team van astronomen heeft een methode ontwikkeld waarmee ze door de mist van het vroege heelal kunnen 'zien' en het licht van de eerste sterren en sterrenstelsels kunnen detecteren.

De onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Cambridge, hebben een methodologie ontwikkeld waarmee ze de eerste sterren kunnen observeren en bestuderen door de waterstofwolken die het universum ongeveer 378.000 jaar na de oerknal vulden.

Het observeren van de geboorte van de eerste sterren en sterrenstelsels is al tientallen jaren een doel van astronomen, omdat het zal helpen verklaren hoe het universum evolueerde van de leegte na de oerknal naar het complexe rijk van hemellichamen die we vandaag waarnemen, 13,8 miljard jaar later.

De Square Kilometre Array (SKA) - een telescoop van de volgende generatie die tegen het einde van het decennium moet worden voltooid - zal waarschijnlijk in staat zijn om beelden te maken van het vroegste licht in het universum, maar voor de huidige telescopen is de uitdaging om de kosmologische signaal van de sterren door de dikke waterstofwolken.

Het signaal dat astronomen willen detecteren, is naar verwachting ongeveer honderdduizend keer zwakker dan andere radiosignalen die ook uit de lucht komen, bijvoorbeeld radiosignalen die afkomstig zijn uit onze eigen melkweg.

Het gebruik van een radiotelescoop zelf introduceert vervormingen in het ontvangen signaal, wat het kosmologische signaal van belang volledig kan verduisteren. Dit wordt beschouwd als een extreme observatie-uitdaging in de moderne radiokosmologie. Dergelijke instrumentgerelateerde verstoringen worden vaak gezien als het grootste knelpunt bij dit soort observaties.

Nu heeft het door Cambridge geleide team een ​​methode ontwikkeld om door de oerwolken en andere luchtruissignalen te kijken, waarbij het nadelige effect van de door de radiotelescoop veroorzaakte vervormingen wordt vermeden. Hun methodologie, onderdeel van het REACH-experiment (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), stelt astronomen in staat om de vroegste sterren te observeren door hun interactie met de waterstofwolken, op dezelfde manier waarop we een landschap zouden afleiden door naar schaduwen in de mist.

Hun methode zal de kwaliteit en betrouwbaarheid verbeteren van waarnemingen van radiotelescopen die kijken naar deze onontgonnen sleuteltijd in de ontwikkeling van het heelal. De eerste waarnemingen van REACH worden later dit jaar verwacht.

De resultaten worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Nature Astronomy .

"In de tijd dat de eerste sterren werden gevormd, was het universum grotendeels leeg en bestond het voornamelijk uit waterstof en helium", zegt dr. Eloy de Lera Acedo van Cambridge's Cavendish Laboratory, de hoofdauteur van het artikel.

Hij voegde eraan toe:"Vanwege de zwaartekracht kwamen de elementen uiteindelijk samen en waren de omstandigheden geschikt voor kernfusie, wat de eerste sterren vormde. Maar ze waren omringd door wolken van zogenaamde neutrale waterstof, die licht heel goed absorberen, dus het is moeilijk om het licht achter de wolken direct te detecteren of te observeren."

In 2018 publiceerde een andere onderzoeksgroep (die het "Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature" - of EDGES uitvoert) een resultaat dat hintte op een mogelijke detectie van dit vroegste licht, maar astronomen zijn niet in staat geweest om het resultaat te herhalen - waardoor ze om te geloven dat het oorspronkelijke resultaat te wijten kan zijn aan interferentie van de gebruikte telescoop.

"Het oorspronkelijke resultaat zou nieuwe fysica vereisen om het te verklaren, vanwege de temperatuur van het waterstofgas, dat veel koeler zou moeten zijn dan ons huidige begrip van het universum zou toestaan. Als alternatief zou een onverklaarbare hogere temperatuur van de achtergrondstraling - meestal verondersteld om de bekende kosmische microgolfachtergrond zijn - zou de oorzaak kunnen zijn," zei de Lera Acedo.

"Als we kunnen bevestigen dat het signaal dat in dat eerdere experiment werd gevonden, echt van de eerste sterren was, zouden de implicaties enorm zijn."

Om deze periode in de ontwikkeling van het heelal te bestuderen, vaak aangeduid als de Kosmische Dageraad, bestuderen astronomen de lijn van 21 centimeter - een elektromagnetische stralingssignatuur van waterstof in het vroege heelal. Ze zoeken een radiosignaal dat het contrast meet tussen de straling van de waterstof en de straling achter de waterstofmist.

De door de Lera Acedo en zijn collega's ontwikkelde methodologie maakt gebruik van Bayesiaanse statistieken om een ​​kosmologisch signaal te detecteren in de aanwezigheid van interferentie van de telescoop en algemene ruis uit de lucht, zodat de signalen kunnen worden gescheiden.

Om dit te doen, zijn state-of-the-art technieken en technologieën uit verschillende vakgebieden vereist.

De onderzoekers gebruikten simulaties om een ​​echte waarneming na te bootsen met meerdere antennes, wat de betrouwbaarheid van de gegevens verbetert - eerdere waarnemingen vertrouwden op één enkele antenne.

"Onze methode analyseert gezamenlijk gegevens van meerdere antennes en over een bredere frequentieband dan vergelijkbare huidige instrumenten. Deze aanpak zal ons de nodige informatie geven voor onze Bayesiaanse gegevensanalyse", zegt de Lera Acedo.

"In wezen vergaten we traditionele ontwerpstrategieën en concentreerden we ons in plaats daarvan op het ontwerpen van een telescoop die geschikt is voor de manier waarop we de gegevens willen analyseren - zoiets als een omgekeerd ontwerp. Dit zou ons kunnen helpen dingen te meten vanaf de Kosmische Dageraad tot in het tijdperk van reïonisatie , toen waterstof in het heelal opnieuw werd geïoniseerd."

De bouw van de telescoop wordt momenteel afgerond in het Karoo-radioreservaat in Zuid-Afrika, een locatie die is gekozen vanwege de uitstekende omstandigheden voor radiowaarnemingen van de lucht. Het is ver verwijderd van door mensen veroorzaakte radiofrequentie-interferentie, bijvoorbeeld televisie- en FM-radiosignalen.

Het REACH-team van meer dan 30 onderzoekers is multidisciplinair en wereldwijd verspreid, met experts op gebieden als theoretische en observationele kosmologie, antenneontwerp, radiofrequentie-instrumentatie, numerieke modellering, digitale verwerking, big data en Bayesiaanse statistiek. REACH wordt mede geleid door de Universiteit van Stellenbosch in Zuid-Afrika.

Professor de Villiers, mede-leider van het project aan de Universiteit van Stellenbosch in Zuid-Afrika, zei:"Hoewel de antennetechnologie die voor dit instrument wordt gebruikt vrij eenvoudig is, maken de harde en externe implementatieomgeving en de strikte toleranties die vereist zijn bij de productie, dit is een zeer uitdagend project om aan te werken."

"We zijn enorm enthousiast om te zien hoe goed het systeem zal presteren, en hebben er het volste vertrouwen in dat we die ongrijpbare detectie zullen doen."

De oerknal en zeer vroege tijden van het universum zijn goed begrepen tijdperken, dankzij studies van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) straling. Nog beter begrepen is de late en wijdverbreide evolutie van sterren en andere hemellichamen. Maar de tijd van vorming van het eerste licht in de kosmos is een fundamenteel ontbrekend stukje in de puzzel van de geschiedenis van het universum. + Verder verkennen

Een oceaan van sterrenstelsels wacht:nieuwe COMAP-radio-enquête