Ett team av forskare som arbetar med radioteleskopet Murchison Widefield Array (WMA) försöker hitta signalen från universums första stjärnor. De första stjärnorna bildades efter universums Mörka tider . För att hitta sitt första ljus letar forskarna efter signalen från neutralt väte, gasen som dominerade universum efter den mörka medeltiden.
Det tog ett tag för de första stjärnorna att bildas. Efter Big Bang var universum extremt varmt; för varmt för att atomer ska bildas. Utan atomer skulle det inte finnas några stjärnor. Det var inte förrän cirka 377 000 år efter Big Bang som universum hade expanderat och svalnat tillräckligt för att atomer skulle bildas, mestadels neutralt väte med lite helium. (Och spår av litium.) Efter det började de tidigaste stjärnorna att bildas under Rejoniseringens epok .
För att hitta den svårfångade signalen från det neutrala vätet, konfigurerades MWA:n om. De MWA ligger i avlägsna västra Australien, och den hade 2048 radioantenner ordnade i 128 'brickor' när den började användas 2013. För att jaga efter den svårfångade neutrala vätesignalen fördubblades antalet brickor till 256, och hela arrayen omarrangerades. All data från dessa mottagare matas in i en superdator som kallas korrelatorn.
Murchison Widefield Array består av 256 brickor med mottagare. Bildkredit: MWA Collaboration/Curtin University.
En ny artikel som kommer att publiceras i Astrophysical Journal presenterar resultaten från den första analysen av data från den nykonfigurerade arrayen. Tidningen heter ' Första säsongens MWA Fas II EoR Power Spectrum-resultat vid Redshift 7 .” Ledande forskare är Wenyang Li, doktorand vid Brown University.
Denna forskning syftade till att förstå styrkan hos signalen från det neutrala vätet. Analysen satte den lägsta gränsen hittills för den signalen, ett nyckelresultat i sökandet efter själva den svaga signalen.
'Vi kan med tillförsikt säga att om den neutrala vätesignalen var starkare än gränsen vi satte i tidningen, så skulle teleskopet ha upptäckt det', säger Jonathan Pober, biträdande professor i fysik vid Brown University och motsvarande författare om nytt papper. 'Dessa fynd kan hjälpa oss att ytterligare begränsa tidpunkten för när den kosmiska mörka tidsåldern tog slut och de första stjärnorna dök upp.'
Trots vad som ser ut som en detaljerad tidslinje för händelser i det tidiga universum, finns det betydande luckor i vår förståelse. Vi vet att efter den mörka medeltiden började återjoniseringens epok. Det var då bildningen av atomer ledde till uppkomsten av de första strukturerna i universum, som stjärnor, dvärggalaxer och kvasarer. När dessa objekt bildades spreds deras ljus genom universum och återjoniserade neutralt väte . Efter det försvann det neutrala vätet från det interstellära rymden.
Grafisk representation av universums historia, av Djorgovski et al, (Caltech).
Forskare vill veta hur det neutrala vätet förändrades när den mörka medeltiden gav vika för återjoniseringens epok och återjoniseringens epok utvecklades. De första stjärnorna som bildades i universum var byggstenar i den struktur vi ser idag, och för att förstå dem måste forskare hitta signalen från det tidiga neutrala vätet.
Men det är inte lätt. Signalen är svag och det krävs extremt känsliga detektorer för att hitta den. Även om det neutrala vätet ursprungligen avgav sin strålning vid en våglängd på 21 cm, har signalen sträckts ut på grund av universums expansion. Det är nu ca 2 meter. Den 2 meter långa signalen går nu lätt förlorad bland en mängd andra signaler som den, både naturliga och mänskliga orsakade. Det är därför MWA är i avlägsna Australien, för att isolera den från så mycket radiobrus som möjligt.
'Alla dessa andra källor är många storleksordningar starkare än signalen vi försöker upptäcka,' sa Pober. 'Till och med en FM-radiosignal som reflekteras från ett flygplan som råkar passera ovanför teleskopet är tillräckligt för att förorena data.'
Det är här processorkraften hos Correlator-superdatorn kommer in. Den har makten att kassera förorenande signaler och även att ta hänsyn till själva MWA:s natur.
Ett diagram över universums utveckling från big bang till nutid, med två epoker av återjonisering. Kredit: NASA, ESA och A. Feild (STScI)
'Om vi tittar på olika radiofrekvenser eller våglängder, beter sig teleskopet lite annorlunda,' sa Pober. 'Att korrigera för teleskopresponsen är helt avgörande för att sedan göra separationen av astrofysiska föroreningar och signalen av intresse.'
Omkonfigureringen av arrayen, dataanalysteknikerna, superdatorns kraft och forskarnas hårda arbete gav resultat. Tidningen presenterar en ny övre gräns för signalen från det neutrala vätet. Detta är andra gången som forskare som arbetar med MWA har släppt en ny, mer finjusterad gräns. Med fortsatta framsteg hoppas forskarna hitta själva den svårfångade signalen.
'Denna analys visar att fas två-uppgraderingen hade många av sina önskade effekter och att de nya analysteknikerna kommer att förbättra framtida analyser,' sa Pober. 'Det faktum att MWA nu har publicerat de två bästa gränserna för signalen rygg mot rygg ger fart åt tanken att detta experiment och dess tillvägagångssätt har mycket lovande.'
Mer:
- Pressmeddelande forskare tum närmare än någonsin för att signalera från kosmisk gryning
- Uppsats: Första säsongens MWA Fas II EoR Power Spectrum-resultat vid Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Rejoniseringens epok
- Universum idag: Tidig Galaxy pekar på återjoniseringseran