Naukowcom udało się dokonać kilku kluczowych ustaleń dotyczących istnienia pierwszych galaktyk w jednym z pierwszych badań astrofizycznych okresu we wczesnym Wszechświecie, kiedy formowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki, znanego jako kosmiczny świt.
Korzystając z danych z indyjskiego radioteleskopu SARAS3, naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Cambridge byli w stanie przyjrzeć się bardzo wczesnemu Wszechświatowi – zaledwie 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu – i nałożyć ograniczenia na masę i emisję energii pierwszych gwiazd i galaktyki.
Wbrew intuicji badacze byli w stanie nałożyć te ograniczenia na najwcześniejsze galaktyki, nie znajdując sygnału, którego szukali, znanego jako 21-centymetrowa linia wodoru.
To niewykrycie umożliwiło naukowcom dokonanie innych ustaleń dotyczących kosmicznego świtu, nakładając ograniczenia na pierwsze galaktyki, umożliwiając im wykluczenie scenariuszy obejmujących galaktyki, które były nieefektywnymi grzejnikami kosmicznego gazu i wydajnymi producentami emisji radiowych.
Chociaż nie możemy jeszcze bezpośrednio obserwować tych wczesnych galaktyk, wyniki opisane w czasopiśmie Nature Astronomy stanowią ważny krok w zrozumieniu, w jaki sposób nasz Wszechświat przeszedł od w większości pustego do pełnego gwiazd.
Zrozumienie wczesnego Wszechświata, kiedy powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki, jest jednym z głównych celów nowych obserwatoriów. Wyniki uzyskane za pomocą danych SARAS3 są badaniem typu proof-of-concept, które toruje drogę do zrozumienia tego okresu w rozwoju Wszechświata.
Projekt SKA – obejmujący dwa teleskopy nowej generacji, który ma zostać ukończony do końca dekady – prawdopodobnie będzie w stanie wykonać zdjęcia wczesnego Wszechświata, ale dla obecnych teleskopów wyzwaniem jest wykrycie sygnału kosmologicznego pierwszego gwiazdy ponownie wypromieniowane przez gęste obłoki wodoru.
Ten sygnał jest znany jako 21-centymetrowa linia – sygnał radiowy wytwarzany przez atomy wodoru we wczesnym Wszechświecie. W przeciwieństwie do niedawno wystrzelonego JWST, który będzie w stanie bezpośrednio obrazować poszczególne galaktyki we wczesnym Wszechświecie, badania 21-centymetrowej linii wykonane za pomocą radioteleskopów, takich jak kierowany przez Cambridge REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), może nam powiedzieć o całych populacjach nawet wcześniejszych galaktyk. Pierwsze wyniki REACH spodziewane są na początku 2023 r.
Aby wykryć 21-centymetrową linię, astronomowie szukają sygnału radiowego wytwarzanego przez atomy wodoru we wczesnym Wszechświecie, na które oddziałuje światło pierwszych gwiazd i promieniowanie za mgłą wodorową. Na początku tego roku ci sami badacze opracowali metodę, która, jak twierdzą, pozwoli im przejrzeć mgłę wczesnego Wszechświata i wykryć światło z pierwszych gwiazd. Niektóre z tych technik zostały już zastosowane w bieżącym badaniu.
W 2018 roku inna grupa badawcza prowadząca eksperyment EDGES opublikowała wynik, który wskazywał na możliwe wykrycie tego najwcześniejszego światła. Zgłoszony sygnał był niezwykle silny w porównaniu z tym, czego można się spodziewać po najprostszym astrofizycznym obrazie wczesnego Wszechświata. Niedawno dane SARAS3 zakwestionowały to wykrycie: wynik EDGES wciąż czeka na potwierdzenie przez niezależne obserwacje.
Podczas ponownej analizy danych SARAS3 zespół kierowany przez Cambridge przetestował różne scenariusze astrofizyczne, które mogłyby potencjalnie wyjaśnić wynik EDGES, ale nie znalazł odpowiedniego sygnału. Zamiast tego zespół był w stanie nałożyć pewne ograniczenia na właściwości pierwszych gwiazd i galaktyk.
Wyniki analizy SARAS3 to pierwszy raz, kiedy obserwacje radiowe uśrednionej 21-centymetrowej linii były w stanie zapewnić wgląd w właściwości pierwszych galaktyk w postaci granic ich głównych właściwości fizycznych.
Współpracując ze współpracownikami z Indii, Australii i Izraela, zespół z Cambridge wykorzystał dane z eksperymentu SARAS3 do poszukiwania sygnałów z kosmicznego świtu, kiedy formowały się pierwsze galaktyki. Korzystając z technik modelowania statystycznego, naukowcy nie byli w stanie znaleźć sygnału w danych SARAS3.
„Szukaliśmy sygnału o określonej amplitudzie” – powiedział Harry Bevins, doktorant z Cavendish Laboratory w Cambridge i główny autor artykułu. „Ale nie znajdując tego sygnału, możemy ograniczyć jego głębokość. To z kolei zaczyna nas informować o tym, jak jasne były pierwsze galaktyki”.
„Nasza analiza wykazała, że sygnał wodoru może informować nas o populacji pierwszych gwiazd i galaktyk” – powiedziała współautorka opracowania, dr Anastasia Fialkov z Instytutu Astronomii w Cambridge. „Nasza analiza nakłada ograniczenia na niektóre kluczowe właściwości pierwszych źródeł światła, w tym masy najwcześniejszych galaktyk i wydajność, z jaką te galaktyki mogą tworzyć gwiazdy. Zajmujemy się również kwestią, jak wydajnie te źródła emitują promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie radiowe i ultrafioletowe”.
„To dla nas wczesny krok w tym, co mamy nadzieję będzie dekadą odkryć, w jaki sposób Wszechświat przeszedł z ciemności i pustki do złożonej sfery gwiazd, galaktyk i innych ciał niebieskich, które możemy dziś zobaczyć z Ziemi” – powiedział dr Eloy de Lera Acedo z Cavendish Laboratory w Cambridge, który współkierował badaniami.
Badanie obserwacyjne, pierwsze tego rodzaju pod wieloma względami, wyklucza scenariusze, w których najwcześniejsze galaktyki były zarówno ponad tysiąc razy jaśniejsze niż obecne galaktyki w zakresie emisji w paśmie radiowym, jak i były słabymi grzejnikami gazowego wodoru.
„Nasze dane ujawniają również coś, co sugerowano wcześniej, a mianowicie to, że pierwsze gwiazdy i galaktyki mogły mieć wymierny wkład w promieniowanie tła, które pojawiło się w wyniku Wielkiego Wybuchu i które od tamtej pory podróżuje w naszym kierunku, ” powiedział de Lera Acedo, „Ustanawiamy również limit tego wkładu”.
„To niesamowite móc spojrzeć tak daleko w przeszłość – do zaledwie 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu – i móc dowiedzieć się o wczesnym Wszechświecie” – powiedział Bevins.
Badania były częściowo wspierane przez Science and Technology Facilities Council (STFC), część UK Research & Innovation (UKRI) oraz Royal Society. Wszyscy autorzy z Cambridge są członkami Kavli Institute for Cosmology w Cambridge.