Signaal 1. tähelt

Autor: Karl Glazebrook, Swinburne Tehnikaülikool

Signaali, mille põhjustasid esimesed tähed universumis, on võtnud pisike, kuid väga spetsialiseerunud raadioteleskoop Austraalia kaugesse Lääne-kõrbe.

Avastamise üksikasjad paljastatakse ajakirjas Nature 28. veebruaril 2018 avaldatud paberis ja räägivad meile, et need tähed moodustusid alles 180 miljonit aastat pärast Suurt Pauku.

See on potentsiaalselt kümnendi üks põnevamaid astronoomilisi avastusi. Teine Nature, 28. veebruaril avaldatud artikkel seob leiu võimalike esimeste tuvastatud tõenditega, et tume aine, mis arvatavasti moodustab suure osa universumist, võib interakteeruda tavaliste aatomitega.

Häälestamine signaalile

Selle avastuse tegi väike raadioantenn, mis töötab sagedusalas 50-100 Mhz ja mis kattub mõne tuntud FM-raadiojaamaga (seepärast asub teleskoop WA kaugemas kõrbes).

Avastatud on valguse neeldumine vesiniku neutraalses aatomituumagaasis, mis täitis varajase universumi pärast selle jahtumist Suure Paugu kuumast plasmast.

Sel ajal (180 miljonit aastat pärast suurt pauku) varajane universum laienes, kuid universumi kõige tihedamad piirkonnad varisesid gravitatsiooni mõjul kokku, et saada esimesed tähed.

Universumi ajajoon, mida on ajakohastatud, et näidata, millal esimesed tähed tekkisid 180 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Pilt NR Fulleri kaudu, Riiklik Teadusfond.

Esimeste tähtede moodustumine mõjus ülejäänud universumile dramaatiliselt. Neist pärinev ultraviolettkiirgus muutis vesinikuaatomites elektronide spinni, põhjustades selle neeldumist universumi taustraadio emissioonile loodusliku resonantssagedusega 1420 MHz, heites nii-öelda varju.

Nüüd, 13 miljardit aastat hiljem, oodatakse seda varju palju madalamal sagedusel, sest universum on selle aja jooksul laienenud peaaegu 18-kordselt.

Varane tulemus

Astronoomid olid seda nähtust ennustanud ligi 20 aastat ja otsinud seda kümme aastat. Keegi ei teadnud päris täpselt, kui tugev signaal oleks või millisel sagedusel otsida.

Kõige rohkem oodati, et pärast 2018. aastat kulub veel mitu aastat.

Kuid varju tuvastas sagedusel 78 MHz Arizona osariigi ülikooli astronoom Judd Bowmani juhitud meeskond.

Hämmastavalt tegi selle raadiosignaali tuvastamise aastatel 2015-2016 väike antenn (EDGES eksperiment), vaid mõne meetri suurune, ühendatud väga nutika raadiovastuvõtja ja signaalitöötlussüsteemiga. See avaldati alles nüüd pärast ranget kontrollimist.

EDGES maapealne raadiospektromeeter, CSIRO Murchisoni raadioastronoomia vaatluskeskus Lääne-Austraalias. Pilt CSIRO kaudu.

See on kõige olulisem astronoomiline avastus pärast gravitatsioonilainete avastamist 2015. aastal. Esimesed tähed tähistavad universumis kõige keerukama alguse, pika teekonna algust galaktikate, päikesesüsteemide, planeetide, elu ja ajudeni.

Nende allkirja tuvastamine on verstapost ja nende kujunemise täpse aja kindlaksmääramine on kosmoloogia jaoks oluline mõõt.

See on hämmastav tulemus. Kuid see muutub paremaks ning veelgi salapärasemaks ja põnevamaks.

Kunstnik kujutab endast seda, kuidas võisid välja näha universumi esimesed tähed. Pilt NR Fulleri kaudu, Riiklik Teadusfond.

Tõendid tumeda aine kohta?

Signaal on oodatust kaks korda tugevam, mistõttu see tuvastati nii vara. Teises ajalehes Nature ütles Tel Avivi ülikooli astronoom Rennan Barkana, et on üsna raske selgitada, miks signaal on nii tugev, kuna selles öeldakse, et vesiniku gaas on praegusel ajal märkimisväärselt külmem, kui kosmose standardses mudelis oodata võiks. evolutsioon.

Astronoomidele meeldib tutvustada uusi eksootilisi objekte (nt ülimassiivsed tähed, mustad augud), kuid need põhjustavad üldiselt kiirgust, mis muudab asjad hoopis kuumemaks.

Kuidas muuta aatomid külmemaks? Peate nad termiliselt kokku puutuma millegi veelgi külmemaga ja kõige elujõulisem kahtlusalune on nn tume tumeaine.

Külm tumeaine on tänapäevase kosmoloogia alustala. See võeti kasutusele 1980ndatel, et selgitada, kuidas galaktikad pöörlevad - need näisid keerlevat palju kiiremini kui nähtavate tähtedega seletatav ja vaja oli täiendavat gravitatsioonijõud.

Nüüd arvame, et tumeaine peab olema valmistatud uut tüüpi põhiosakesest. Tumedat ainet on umbes kuus korda rohkem kui tavalises aines ja kui see oleks valmistatud normaalsetest aatomitest, oleks Suur Pauk vaadeldavaga võrreldes hoopis teistsugune.

Selle osakese olemuse ja massi osas võime ainult oletada.

Nii et kui külm tumeaine põrkub tõepoolest varajases universumis vesinikuaatomitega ja jahutab neid, on see suur edasiminek ja võib viia selle tegeliku olemuse kinnistamiseni. See oleks esimene kord, kui tumeaine on näidanud igasugust muud interaktsiooni peale gravitatsiooni.

Siit tulebki but

Tähelepanelik on ettevaatus. Seda vesinikusignaali on väga raske tuvastada: isegi Lääne-Austraalia kaugemas asukohas on see tuhandeid kordi nõrgem kui taustraadio müra.

Esimese loodusajakirja autorid on enam kui aasta kulutanud paljudele katsetele ja kontrollidele, et veenduda, kas nad pole viga teinud. Nende antenni tundlikkus tuleb peenelt kalibreerida kogu ribalaiuse ulatuses. Avastamine on muljetavaldav tehniline saavutus, kuid astronoomid kogu maailmas hoiavad hinge, kuni tulemust kinnitab sõltumatu katse.

Kui see kinnitatakse, avab see ukse varase universumi uuele aknale ja potentsiaalselt uue arusaama tumeda aine olemusest, pakkudes sinna uut vaatlusakent.

See signaal on tuvastatud tulevat kogu taevast, kuid tulevikus saab selle taevasse kaardistada ja kaartide struktuuride üksikasjad annaksid meile siis veelgi rohkem teavet tumeaine füüsikaliste omaduste kohta.

Veel kõrbevaatlusi

Täna on väljaanded põnevad uudised eriti Austraalia jaoks. Lääne-Austraalia on raadiovaiksem tsoon maailmas ja on tulevikus peamisteks kaardistamisvaatlusteks. Murchisoni Widefieldi massiiv töötab praegu ja edaspidised uuendused võiksid pakkuda just sellist kaarti.

Üks Murchisoni Widefield Array (MWA) teleskoobi 128 plaadist. Pilt Flickri / Austraalia SKA kontori / WA kaubandusosakonna kaudu.

See on ka Lääne-Austraalias asuva mitme miljardi dollarise ruutkilomeetrite massiivi peamine teaduseesmärk, mis peaks suutma sellest ajastust pakkuda palju suuremaid truuduspilte.

Äärmiselt põnev on oodata aega, mil suudame paljastada esimeste tähtede olemuse ja saada raadioastronoomia kaudu uue lähenemisviisi tumeda aine käsitlemiseks, mis on seni osutunud raskeks.

Loodame, et maailma või vähemalt Austraalia valitsused suudavad hoida sageduse 78 MHz popmuusikast ja vestlussaadetest puhtana, et saaksime jätkata universumi sünni jälgimist.

Karl Glazebrook, Swinburni Tehnikaülikooli astrofüüsika ja superarvuti keskuse direktor ja austatud professor

See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation. Lugege algset artiklit.

Alumine rida: Astronoomid on tuvastanud signaali esimestest tähtedest, mis tekivad universumis.