Wykryto emisję radiową związaną z pierwszymi gwiazdami

Pozornie proste doświadczenie pozwoliło naukowcom na wykrycie sygnałów wygenerowanych przez pierwsze gwiazdy, narodzone około 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Odkrycie to w ciekawy sposób wiąże się z problemem ciemnej materii.

Pierwsze gwiazdy zaczęły świecić zaledwie 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Tak wynika z prac przeprowadzonych przez amerykańskich radioastronomów. Dowody na to pochodzą z obserwacji neutralnego wodoru, który przenikał wczesny Wszechświat. Te obserwacje pokazują jednocześnie, że gaz ten był wówczas niespodziewanie chłodny - a to może wskazywać na jego niegrawitacyjne oddziaływania z ciemną materią.

To także ważny krok w zrozumieniu procesów zachodzących w bardzo młodym kosmosie. Przez wiele lat astronomowie próbowali wykryć neutralny wodór we wczesnym Wszechświecie poprzez jego emisję radiowej na fali o długości 21 centymetrów. Chcieli też dowiedzieć się, w jaki sposób oraz kiedy dokładniej promieniowanie pierwszych gwiazd i galaktyk ogrzewało i zarazem jonizowało otaczający je, neutralny gaz. Miało to miejsce podczas tak zwanej Epoki Reionizacji (EoR), w której pęcherzyki zjonizowanego gazu rosły i rozprzestrzeniały się we Wszechświecie - 300 do 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Ale obserwacje te doszły do skutku dopiero teraz. Gdy fale radiowe przemieszczają się przez rozszerzającą się przestrzeń kosmiczną, są na swej drodze silnie rozciągane ku większym długościom i zarazem niższym częstotliwościom. Po miliardach lat długości tych fal doszły do kilku metrów, co jednak odpowiada dość trudnym do wykrycia (ze względów technicznych) częstotliwościom poniżej 200 megaherców. Co więcej, sygnał taki jest silnie zakłócany przez znajdujące się dużo bliżej nas źródła: promieniowanie synchrotronowe, promieniowanie radiowe naszej Galaktyki, a także sztuczne szumy radiowe z Ziemi. Mimo to Judd Bowman z Uniwersytetu w Arizonie i Alan Rogers z MIT Haystack Observatory wraz z zespołem innych naukowców zdołali zaobserwować kosmos na częstotliwościach z zakresu 50 - 100 megahertzów, co umożliwiło im spojrzenie wstecz w czasie.

Wykorzstali w tym celu względnie niedrogi odbiornik EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of reionization Signature) znajdujący się w Australii. Ma on wielkość dużego stołu i jest, jak się okazuje, znakomicie skalibrowany właśnie do tych niskich częstotliwości radiowych. Ma również w sobie niewiele elektroniki, co skutecznie pozwala zapobiegać interferencji i szumom aparaturowym.

Na bardzo wczesnym etapie kosmicznej ewolucji mikrofalowe tło - słaba poświata po Wielkim Wybuchu - było znacznie gorętsze niż wszechobecny wówczas neutralny wodór. W wyniku tego wodór nie emitował wówczas 21 centymetrowych fal radiowych, ale absorbował je. EDGES wykrył właśnie tę absorpcję. Zdaniem Rogersa jest to najwcześniejsza bezpośrednia detekcja wodoru, która dostarczy naukowcom wiele cennych informacji, m. in. na temat dokładnego czasu rejonizacji Wszechświata. Co ciekawe, emisji tej bezskutecznie poszukiwały wcześniej instrumenty takie jak interferometr radiowy LOFAR (Low-Frequency Array), interferometr Murchison Wide-field Array z Australii Zachodniej, i HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) usytuowana w Afryce Południowej.

Odkrycie sygnału absorpcji wodorowej sugeruje, że pierwsze gwiazdy musiały powstawać dość wcześnie - gdy Wszechświat miał zaledwie 180 milionów lat. Ku zaskoczeniu naukowców zaobserwowana absorpcja okazała się też silniejsza niż oczekiwano. Wynika to z tego, że albo promieniowanie tła było wówczas gorętsze, albo też neutralny wodór był chłodniejszy niż wcześniej zakładano. Trudno sobie jednak wyobrazić, by mikrofalowe tło mogło być gorętsze niż 50 stopni powyżej zera absolutnego, ponieważ wartość jego temperatury dla tego wieku Wszechświata znamy dobrze z niezależnych obserwacji. Zatem to neutralny wodór musiał być chłodniejszy, niż dotąd przewidywały teorie.

Astrofizyk Rennan Barkana twierdzi z kolei, że gaz ten mógł zostać poddany dodatkowemu chłodzeniu poprzez pozagrawitacyjne oddziaływania z cząsteczkami ciemnej materii. Większość teorii związanych z ciemną materią przewiduje bardzo słabe interakcje pomiędzy zwykłą materią i "ciemnymi" cząstkami, zachodzące na drodze zderzeń oraz rozpraszania. Bazując na nowych wynikach z EDGES Barkana przewiduje, że tego typu obserwacje radiowe na fali 21 centymetrów mogą posłużyć do dokładnych badań ciemnej materii wczesnego kosmosu.

Inni naukowcy podchodzą jednak do tego dość ostrożnie. Najpierw, po 12 latach (!) pomiarów i dwóch latach testów mających wykluczyć wszystkie możliwe błędy instrumentalne, Bowman i Rogers chcą powtórzyć wcześniej uzyskany już wynik. Następnym krokiem będzie uzyskanie go przez badaczy korzystających z innego instrumentu - ma to ostatecznie potwierdzić obecne odkrycie.

 

Czytaj więcej:


Źródło: Sky&Telescope

Zdjęcie: EDGES - naziemny radiospektrometr wybudowany w Obserwatorium CSIRO’s Murchison w zachodniej Australii.
Źródło: CSIRO Australia