Astronomer Glimpse Signposts of Universe's First Stars


En kunstneres illustrasjon av hva de første stjernene i universet kan ha sett ut. National Science Foundation De kosmiske mørke aldre varte ikke mer enn 180 millioner år. Astronomer har plukket opp et ettertraktet signal fra noen av universets første stjerner, og bestemte seg for at disse pionerene brente lyset med bare 180 millioner år etter Big Bang. For

En kunstneres illustrasjon av hva de første stjernene i universet kan ha sett ut. National Science Foundation

De kosmiske mørke aldre varte ikke mer enn 180 millioner år.

Astronomer har plukket opp et ettertraktet signal fra noen av universets første stjerner, og bestemte seg for at disse pionerene brente lyset med bare 180 millioner år etter Big Bang.

Forskere hadde lenge mistanke om at daggry brøt over kosmos så lenge siden; teoretikernes modeller spår så mye. Men forskere hadde aldri fått bevis for å sikkerhetskopiere det frem til nå. Før denne nye studien ble de eldste stjernene noensinne datert til om lag 400 millioner år etter Big Bang.

"Dette skaper vår kunnskap om når og hvordan stjerner dannet til tidligere tider i universet, " sa studiestartforfatter Judd Bowman, en astronom ved Arizona State Universitys skole for jord og romforskning.

Disse svært gamle stjernene var trailblazers. Selv om de samles fra primordial hydrogen og helium, satte de i gang en fortløpende prosess med stjernens fødsel og død som endte opp over ektene og sådde universet med tunge elementer - de ting som steinete planeter som Jorden er laget av.

"Hvis du ser på vår kosmiske opprinnelse, forteller Bowman Space.com, " den nederste ringen av den stigen er denne prosessen med de første objektene som danner og beriker mediet for å gjøre alt annet mulig. "

I tillegg var signalet som Bowman og hans team fant overraskende sterke. Det var så sterkt at det hint på en mulig samspill mellom mystisk mørk materie og de "normale" tingene som utgjør stjernene, og du og meg og alt annet vi kan se i universet.

Siktende gjennom støyen

Jo lenger tilbake i tiden du går, jo vanskeligere er det å se stjerner direkte, ved hjelp av instrumenter som NASAs Hubble Space Telescope. For det første er det færre og færre stjerner å finne. Og til ca 500 millioner år etter Big Bang ble universet suffused med nøytrale hydrogenatomer, som er gode til å blokkere lys. (Stråling fra de første stjernene splittet til slutt disse atomene i deres bestanddeler protoner og elektroner, og skaper et mer gjennomsiktig ionisert plasma, men dette tok en stund.)

Så tok Bowman og hans kolleger en indirekte rute, og lette etter fingeravtrykkene de tidlige stjernene trolig igjen på den kosmiske bakgrunnsstrålingen (CMB) - det gamle lyset igjen fra Big Bang. Stjernerens ultrafiolette stråling, ideen går, vil forvitre hydrogenatomer til en annen tilstand, noe som får dem til å absorbere CMB-fotoner.

Teoretisk sett bør denne dip i CMB-signalet være detekterbart. Så bygget, kalibrert og testet teamet en radioantenn på størrelse med et kjøkkenbord - et prosjekt de kalte eksperiment for å oppdage Global EoR (EpoR of Reionization) Signature (EDGES), som ble finansiert av US National Science Foundation (NSF ).

Deretter satte de utstyret opp på Murchison Radio-astronomi Observatory (MRO) i Vest-Australia. MRO er i et ekstraordinært radio-roligt område vedlikeholdt av Commonwealth Scientific og Industrial Research Organization, Australias nasjonalvitenskapsbyrå.

Det radio-rolige aspektet av nettstedet var nøkkelen, fordi modelleringsarbeid foreslo at signalet Bowman og hans kolleger var på utkikk etter overlapp med frekvenser på FM-radiohjulet. Og forskerne hadde allerede å kjempe med alle Milky Way's blomstrende bakgrunnsradio-støy.

"Det er en stor teknisk utfordring å gjøre denne gjenkjenningen, " sier Peter Kurczynski, NSF-programleder som overvåker finansiering for EDGES, i en uttalelse. "Støykilder kan være 10.000 ganger lysere enn signalet. Det er som å være midt i en orkan, og prøver å høre klaffen på en kolibriks vinge."

Men EDGES plukket opp den lille klaffen, spotting en dukkert som er mest intens med en frekvens på 78 megahertz. Hydrogen avgir og absorberer stråling med en bølgelengde tilsvarende 1, 420 megahertz, slik at signalet EDGES oppdaget hadde blitt "redshiftet" strekket til lavere frekvenser ved universets utvidelse. Omfanget av denne redshiftet fortalte laget da disse CMB-fotonene ble absorbert: ca. 180 millioner år etter universets fødsel.

Bowman og hans team rapporterte disse resultatene i dag (28. februar), i en studie publisert på nettet i tidsskriftet Nature.

"Disse forskerne med en liten radioantenn i ørkenen har sett lenger enn de kraftigste romteleskoper, åpner et nytt vindu på tidlig univers, " sa Kurczynski.

EDGES-signalet petered ut mindre enn 100 millioner år senere, sannsynligvis fordi røntgenlys fra supernovaer, svarte hull og andre gjenstander hadde oppvarmet hydrogenatomer betydelig ved det punktet, sa Bowman.

Mørk materie involvert?

Signalet EDGES funnet var omtrent dobbelt så sterkt som laget forventet. Det er to mulige forklaringer for denne overraskende intensiteten, sa Bowman: Enten var radiobakgrunnen ganske sterkere i de tidlige dager enn forskerne hadde tenkt, eller hydrogengassen var betydelig kjøligere.

Studieteamet lener seg mot den andre muligheten, fordi det er vanskelig å forestille seg en prosess som vil øke radiobakgrunnen til de nødvendige nivåene, sa Bowman. Det er også vanskelig å finne ut hva som kan ha avkjølt hydrogenet, men det er en lovende konkurrent: mørkt materiale, de mystiske tingene som utgjør 85 prosent av det materielle universet.

Mørk materie absorberer eller utsender ikke lys, noe som gjør det umulig å se direkte (derav navnet). Astronomer har utledet stoffets eksistens fra dens tyngdekraftvirkninger på "vanlig" sak, men de vet ikke hva mørkt materie egentlig er. De fleste forskere tror det består av ennå ikke-oppdagede partikler, hypoteser som ekspansjoner eller svake samspillende massive partikler.

I en egen studie i det samme spørsmålet om natur, fant astrofysiker Rennan Barkana, fra Tel Aviv-universitetet i Israel, at kaldt mørkt materiale kunne ha suget bort energi fra hydrogengassen og avkjølt den. Hvis dette skjedde, "er den mørke materiepartikkelen ikke tyngre enn flere protonmasser, godt under den allment forutsagte massen av svakt samvirkende massive partikler, " skrev Barkana i studien.

Hvis Barkana har rett, har Bowman og hans team tatt en titt på noen eksotiske fysikk og avdekket en viktig anelse om naturen av mørk materie.

"Vi har sett så lenge etter noe som kan fortelle oss mer om det mørke saken kan være, " sa Bowman. "Hvis dette virkelig blir båret ut og fortsetter å bli bekreftet - at deteksjonen er ekte, og Rennan er hypotese er ekte [og] er den beste forklaringen - da kan dette vel være den første nøkkelen til å fremme vår kunnskap om hva mørkt materie egentlig er ."

Neste skritt

Snakk om å bekrefte deteksjonen - det er det nærmeste neste skrittet i denne linjen med tidlig universforskning, sa Bowman. Han og hans team tilbrakte om to år å validere deres søk, og utelukket alle mulige alternative forklaringer. Men for funnene er steinfast, må en annen forskningsgruppe også se på signalet.

Hvis det skjer, kan astronomer minne signalet for mer informasjon, sa Bowman. Tross alt, nå vet de hvor de skal finne den.

For eksempel bør videre studier ved følsomme radioteleskoparrayer avsløre mer om den ikke-standardiserte fysikken som er antydet av signalet og mer om egenskapene til universets første stjerner, sa han.

"Vi kan også forvente at vi til slutt kan begynne å skille når de aller første stjernene overgikk til andre generasjon og senere stjerner som ble bygget av gass som hadde tyngre elementer i det, " sa Bowman. "Jeg tror at alt dette da blir bundet til opprinnelsen og dannelsen av galakser som helhet."

Følg Mike Wall på Twitter @ Michael Wall og Google+ . Følg oss @Spacedotcom , Facebook eller Google+ . Opprinnelig publisert på Space.com .

REDAKTØRENS ANBEFALINGER

  • Bilder: Peering Tilbake til Big Bang & Early Universe
  • Evolusjon av universet Avdekket av datasimulering (Galleri)
  • Dark Matter og Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)

Opphavsrett 2017 SPACE.com , et kjøpsselskap . Alle rettigheter reservert. Dette materialet kan ikke bli publisert, kringkastet, omskrevet eller omfordelt.

Hva har en ubåt, en rakett og en fotball til felles?Storms kan øke hastigheten på ozonet over USADel 8: Håndtering av Habitat DestructionEr naturgass mer klimavennlig?  Forskere kart Tusenvis av lekkasjer i Washington, DCStamcellebehandling for hjertesvikt får en Gull-Standard-prøveTviler Cloud Claims of Metallic HydrogenMenneskelig overbefolkning: Fortsatt et problem av bekymring?Batter Up: Shattering Sticks Opprett fare i MLB Ballparks