Zespół astronomów opracował metodę, która pozwoli im “widzieć” przez mgłę wczesnego Wszechświata i wykrywać światło pierwszych gwiazd i galaktyk.
Naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Cambridge opracowali metodologię, która pozwoli im obserwować i badać pierwsze gwiazdy poprzez obłoki wodoru, które wypełniły Wszechświat około 378 000 lat po Wielkim Wybuchu.
Obserwacja narodzin pierwszych gwiazd i galaktyk była celem astronomów od dziesięcioleci, ponieważ pomoże wyjaśnić, jak Wszechświat ewoluował od pustki po Wielkim Wybuchu do złożonej sfery obiektów niebieskich, którą obserwujemy dzisiaj, 13,8 miliarda lat później.
Square Kilometer Array (SKA) – teleskop nowej generacji, który ma zostać ukończony pod koniec dekady – prawdopodobnie będzie w stanie wykonać zdjęcia najwcześniejszego światła we Wszechświecie, ale w przypadku obecnych teleskopów wyzwaniem jest wykrycie kosmologiczny sygnał gwiazd przez gęste obłoki wodoru.
Oczekuje się, że sygnał, który astronomowie chcą wykryć, będzie około sto tysięcy razy słabszy niż inne sygnały radiowe pochodzące również z nieba – na przykład sygnały radiowe pochodzące z naszej własnej galaktyki.
Samo użycie radioteleskopu wprowadza zniekształcenia do odbieranego sygnału, które mogą całkowicie przesłonić interesujący sygnał kosmologiczny. Jest to uważane za ekstremalne wyzwanie obserwacyjne we współczesnej kosmologii radiowej. Takie zniekształcenia związane z instrumentami są powszechnie uważane za główne wąskie gardło w tego typu obserwacji.
Teraz zespół pod kierownictwem Cambridge opracował metodologię widzenia przez pierwotne chmury i inne sygnały szumu nieba, unikając szkodliwego wpływu zniekształceń wprowadzanych przez radioteleskop. Ich metodologia, będąca częścią eksperymentu REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), pozwoli astronomom obserwować najwcześniejsze gwiazdy poprzez ich interakcję z obłokami wodoru, w taki sam sposób, w jaki wywnioskowalibyśmy krajobraz patrząc na cienie w mgła.
Ich metoda poprawi jakość i wiarygodność obserwacji z radioteleskopów w tym niezbadanym kluczowym czasie dla rozwoju Wszechświata. Pierwsze obserwacje z REACH spodziewane są jeszcze w tym roku.
Wyniki zostały ogłoszone dzisiaj w czasopiśmie Nature Astronomy.
„W czasie, gdy powstały pierwsze gwiazdy, Wszechświat był w większości pusty i składał się głównie z wodoru i helu” – powiedział dr Eloy de Lera Acedo z Cavendish Laboratory w Cambridge, główny autor artykułu.
Dodał: „Ze względu na grawitację pierwiastki w końcu się połączyły i warunki były odpowiednie do fuzji jądrowej, co uformowało pierwsze gwiazdy. Ale były otoczone chmurami tak zwanego neutralnego wodoru, który naprawdę dobrze absorbuje światło, więc trudno jest wykryć lub obserwować światło za chmurami bezpośrednio”.
W 2018 roku inna grupa badawcza (prowadząca „Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature” – lub EDGES) opublikowała wyniki sugerujące możliwość wykrycia tego najwcześniejszego światła, ale astronomowie nie byli w stanie powtórzyć tego wyniku. co doprowadziło ich do przekonania, że pierwotny wynik mógł być spowodowany zakłóceniami z używanego teleskopu.
„Pierwotny wynik wymagałby wyjaśnienia nowej fizyki, ze względu na temperaturę gazowego wodoru, która powinna być znacznie niższa niż pozwala na to nasze obecne rozumienie Wszechświata. Alternatywnie, niewyjaśniona wyższa temperatura promieniowania tła – zwykle zakładana być dobrze znanym Kosmicznym Tłem Mikrofalowym – może być przyczyną” – powiedział de Lera Acedo.
Dodał: „Jeśli uda nam się potwierdzić, że sygnał znaleziony we wcześniejszym eksperymencie rzeczywiście pochodził z pierwszych gwiazd, konsekwencje byłyby ogromne”.
Aby zbadać ten okres w rozwoju Wszechświata, często określany jako Kosmiczny Świt, astronomowie badają 21-centymetrową linię – sygnaturę promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego od wodoru we wczesnym Wszechświecie. Szukają sygnału radiowego, który mierzy kontrast między promieniowaniem wodoru a promieniowaniem za mgłą wodorową.
Metodologia opracowana przez de Lera Acedo i jego współpracowników wykorzystuje statystykę bayesowską do wykrywania sygnału kosmologicznego w obecności zakłóceń z teleskopu i ogólnego szumu z nieba, dzięki czemu sygnały mogą być rozdzielone.
W tym celu potrzebne są najnowocześniejsze techniki i technologie z różnych dziedzin.
Naukowcy wykorzystali symulacje, aby naśladować rzeczywistą obserwację przy użyciu wielu anten, co poprawia wiarygodność danych – wcześniejsze obserwacje opierały się na pojedynczej antenie.
„Nasza metoda wspólnie analizuje dane z wielu anten i w szerszym paśmie częstotliwości niż równoważne obecne instrumenty. Takie podejście dostarczy nam niezbędnych informacji do naszej analizy danych bayesowskich” – powiedział de Lera Acedo.
Dodał: „W istocie zapomnieliśmy o tradycyjnych strategiach projektowania i zamiast tego skupiliśmy się na zaprojektowaniu teleskopu dopasowanego do sposobu, w jaki planujemy analizować dane – coś w rodzaju projektu odwróconego. To może pomóc nam zmierzyć rzeczy od Kosmicznego Świtu do epoka rejonizacji, kiedy wodór we Wszechświecie został zrejonizowany.”
Budowa teleskopu jest obecnie finalizowana w rezerwacie radiowym Karoo w RPA, miejscu wybranym ze względu na doskonałe warunki do prowadzenia obserwacji nieba. Jest daleko od zakłóceń częstotliwości radiowych powodowanych przez człowieka, na przykład sygnałów telewizyjnych i radiowych FM.
Zespół REACH składający się z ponad 30 naukowców jest multidyscyplinarny i rozproszony na całym świecie, z ekspertami w dziedzinach takich jak kosmologia teoretyczna i obserwacyjna, projektowanie anten, oprzyrządowanie częstotliwości radiowych, modelowanie numeryczne, przetwarzanie cyfrowe, big data i statystyka bayesowska. REACH jest współprowadzony przez Uniwersytet Stellenbosch w RPA.
Profesor de Villiers, współkierujący projektem na Uniwersytecie Stellenbosch w RPA powiedział: „Chociaż technologia antenowa zastosowana w tym instrumencie jest raczej prosta, trudne i zdalne środowisko wdrażania oraz ścisłe tolerancje wymagane w produkcji sprawiają, że to bardzo wymagający projekt do pracy”.
Dodał: „Jesteśmy bardzo podekscytowani, widząc, jak dobrze system będzie działał i mamy pełną pewność, że dokonamy tego nieuchwytnego wykrycia”.
Wielki Wybuch i bardzo wczesne czasy Wszechświata są dobrze poznanymi epokami, dzięki badaniom promieniowania kosmicznego mikrofalowego tła (CMB). Jeszcze lepiej zrozumiana jest późna i powszechna ewolucja gwiazd i innych ciał niebieskich. Ale czas powstania pierwszego światła w Kosmosie jest fundamentalnym brakującym elementem układanki historii Wszechświata.