Σύμφωνα με τις πιο ευρέως αποδεκτές κοσμολογικές θεωρίες, τα πρώτα αστέρια στο Σύμπαν σχηματίστηκαν μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Δυστυχώς, οι αστρονόμοι δεν μπόρεσαν να τους «δουν» αφού η εμφάνισή τους συνέπεσε κατά την κοσμολογική περίοδο που είναι γνωστή ως «Σκοτεινοί Αιώνες». Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η οποία τελείωσε πριν από περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια, σύννεφα αερίου γέμισαν το Σύμπαν που έκλεισαν το ορατό και το υπέρυθρο φως.
Ωστόσο, οι αστρονόμοι έμαθαν ότι το φως από αυτήν την εποχή μπορεί να ανιχνευθεί ως αχνά ραδιοσήματα. Αυτός είναι ο λόγος που τα ραδιοτηλεσκόπια όπως το Murchison Widefield Array (MWA) κατασκευάστηκαν. Χρησιμοποιώντας δεδομένα που λαμβάνονται από αυτόν τον πίνακα πέρυσι , μια διεθνής ομάδα ερευνητών αναζητά τα πιο ακριβή ραδιοφωνικά δεδομένα μέχρι σήμερα από το πρώιμο Σύμπαν σε μια προσπάθεια να δει πότε ακριβώς τελείωσε ο κοσμικός «Σκοτεινός Χρόνος».
Όπως ανέφεραν στη μελέτη τους, η οποία εμφανίστηκε στο The Astrophysical Journal πέρυσι, η ομάδα είχε καταφέρει να φιλτράρει δέκα φορές περισσότερες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (σε σύγκριση με τον κανόνα) από περισσότερες από 21 ώρες δεδομένων που συνέλεξε η MWA. Εξοπλισμένη με αυτά τα εξαιρετικά βελτιωμένα δεδομένα, η ομάδα ψάχνει τώρα μέσα από όλα για ενδεικτικές ενδείξεις ενός ραδιοφωνικού σήματος που προήλθε από τους «Σκοτεινούς Αιώνες».
Το χρονοδιάγραμμα του Big Bang του Σύμπαντος, που δείχνει πότε και σε ποια μήκη κύματος έγιναν ορατά τα πράγματα. Πίστωση: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Τα τρέχοντα μοντέλα κοσμολογίας μας λένε ότι λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν γέμισε με καυτό πυκνό πλάσμα. Τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια παγιδεύονταν τακτικά το ένα το άλλο σε αυτή την περίοδο, γεγονός που έκανε το Σύμπαν αδιαφανές. Λιγότερο από ένα εκατομμύριο χρόνια αργότερα, οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωτονίων έγιναν σπάνιες και το διαστελλόμενο Σύμπαν έγινε ολοένα και πιο διαφανές. Ωστόσο, δεν υπήρχαν ακόμα αστέρια ή γαλαξίες αυτή τη στιγμή, που άφησαν το Σύμπαν σκοτεινό.
Έτσι θα παρέμεναν τα πράγματα για τις επόμενες εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, όπου ο κόσμος ήταν γεμάτος με ουδέτερο υδρογόνο (άτομα υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, τα οποία δεν έχουν συνολικό φορτίο). Περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ουδέτερα άτομα υδρογόνου άρχισαν να ενώνονται για να σχηματίσουν τα πρώτα αστέρια, ξεκινώντας έτσι την Εποχή του Επανιονισμού και τερματίζοντας τους «Σκοτεινούς Αιώνες».
Καθώς σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια, το φως και η ακτινοβολία που εξέπεμψαν μετέτρεψαν μεγάλο μέρος του ουδέτερου υδρογόνου στο Σύμπαν σε ιονισμένο πλάσμα, το οποίο εξακολουθεί να κυριαρχεί στον διαστρικό χώρο σήμερα. Δυστυχώς, το να διακρίνουμε πότε συνέβη αυτή η μετάβαση είναι δύσκολο, καθώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο ορατό και στο υπέρυθρο (θερμότητα) μήκη κύματος απλά δεν είναι ορατή όσον αφορά τα υπάρχοντα όργανα.
Φοιτητές και ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Brown, το Πανεπιστήμιο Curtin και το UW κατασκευάζουν νέες κεραίες για το Murchison Widefield Array. Πίστωση: MWA Collaboration/Curtin University
Οπως και Εικόνα σύμβολο κράτησης θέσης Miguel Morales , καθηγητής φυσικής του UW και ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, εξήγησε στο α ΤΟ ΔΕΛΤΙΟ ειδήσεων ΣΑΣ :
«Για αυτή τη σκοτεινή εποχή, φυσικά δεν υπάρχει σήμα που να βασίζεται στο φως που να μπορούμε να μελετήσουμε για να το μάθουμε – δεν υπήρχε ορατό φως! Αλλά υπάρχει ένα συγκεκριμένο σήμα που μπορούμε να αναζητήσουμε. Προέρχεται από όλο αυτό το ουδέτερο υδρογόνο. Δεν έχουμε μετρήσει ποτέ αυτό το σήμα, αλλά ξέρουμε ότι είναι εκεί έξω. Και είναι δύσκολο να εντοπιστεί γιατί στα 13 δισεκατομμύρια χρόνια από τότε που εκπέμπεται αυτό το σήμα, το σύμπαν μας έχει γίνει ένα πολύ απασχολημένο μέρος, γεμάτο με άλλες δραστηριότητες από αστέρια, γαλαξίες και ακόμη και την τεχνολογία μας που πνίγει το σήμα από το ουδέτερο υδρογόνο».
Αυτό το σήμα αντιστοιχεί στη συχνότητα και το μήκος κύματος στο οποίο το υδρογόνο μετατρέπεται από ουδέτερο σε φορτίο. Γνωστό και ως «Γραμμή Υδρογόνου», αυτό το όριο βρίσκεται στα 21 cm (1.420,4 MHz) στο ραδιοφάσμα. Η εύρεση αυτών των σημάτων στο διάστημα είναι το κλειδί για τον προσδιορισμό του πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και πότε τελείωσαν οι Σκοτεινοί Χρόνοι, παρέχοντας έτσι στους αστρονόμους ζωτικής σημασίας ενδείξεις για την κοσμική εξέλιξη.
«Η Εποχή του Επανιονισμού και η σκοτεινή εποχή που προηγείται είναι κρίσιμες περίοδοι για την κατανόηση των χαρακτηριστικών του σύμπαντος μας, όπως γιατί έχουμε κάποιες περιοχές γεμάτες με γαλαξίες και άλλες σχετικά άδειες, η κατανομή της ύλης και ενδεχομένως ακόμη και η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια». πρόσθεσε ο Μοράλες.
Καγκουρό στο Murchison Widefield Array. Πίστωση: MWA Collaboration/Curtin University
Το Murchison Widefield Array, ένα ραδιοτηλεσκόπιο που βρίσκεται στη Δυτική Αυστραλία, είναι επίσης το πρωταρχικό της ομάδας στην αναζήτηση αυτών των σημάτων. Αυτή η συστοιχία αποτελείται από 4.096 διπολικές κεραίες που μπορούν να λάβουν σήματα χαμηλής συχνότητας όπως η ηλεκτρομαγνητική υπογραφή του ουδέτερου υδρογόνου. Αυτά τα σήματα είναι πολύ δύσκολο να διακριθούν λόγω ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών από άλλες κοσμικές (ή συνδεδεμένες με τη Γη) πηγές.
Προκειμένου να εξαλειφθεί αυτός ο θόρυβος του περιβάλλοντος και να βελτιωθούν οι πιθανότητες ανίχνευσης, ο Μοράλες και οι συνεργάτες του έχουν αναπτύξει όλο και πιο εξελιγμένες μεθόδους. Αυτό περιλαμβάνει την εισαγωγή μιας πλεονάζουσας υποσυστοιχίας εξαγωνικών πυρήνων και ψευδοτυχαίων βασικών γραμμών, καθώς και βελτιωμένων τεχνικών ανάλυσης, μεθόδων ελέγχου ποιότητας δεδομένων και προσεγγίσεων συμβολομετρικής βαθμονόμησης.
Όλες αυτές οι πληροφορίες ήταν παρούσες στη μελέτη της ομάδας του 2019, η οποία βασίστηκε στη διδακτορική διατριβή του μέλους της ομάδας και του συν-συγγραφέα Νικόλ Μπάρι – επί του παρόντος μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης. Κοιτάζοντας το μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να ταξινομήσει περίπου 3.000 ώρες πρόσθετων δεδομένων εκπομπών που συλλέγονται από το MWA και ελπίζει να φιλτράρει ακόμη περισσότερο θόρυβο, ώστε να μπορεί να εντοπίσει αυτό το άπιαστο σήμα.
Μέρος του Murchison Widefield Array τη νύχτα. Δημιουργία: John Goldfield/Celestial Visions
Εάν είναι επιτυχείς, οι αστρονόμοι θα έχουν επιτέλους ένα παράθυρο στην πρώιμη περίοδο του Σύμπαντος. Μαζί με τις συστοιχίες ραδιοτηλεσκοπίων σε όλο τον κόσμο, οι οποίες γίνονται όλο και πιο εξελιγμένες, αυτό θα επιτρέψει στους αστρονόμους και τους κοσμολόγους να δοκιμάσουν τις θεωρίες τους σχετικά με το πώς και πότε συνέβησαν σημαντικά γεγονότα στην εξέλιξη του Σύμπαντος μας. Είπε Μοράλες:
«Πιστεύουμε ότι οι ιδιότητες του σύμπαντος κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής είχαν σημαντική επίδραση στον σχηματισμό των πρώτων άστρων και έθεσαν σε κίνηση τα δομικά χαρακτηριστικά του σύμπαντος σήμερα. Ο τρόπος με τον οποίο κατανεμήθηκε η ύλη στο σύμπαν κατά τη διάρκεια εκείνης της εποχής πιθανότατα διαμόρφωσε τον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται οι γαλαξίες και τα γαλαξιακά σμήνη σήμερα».
Η ομάδα περιελάμβανε ερευνητές από το ASTRO 3D συνεργασία, η Διεθνές Κέντρο Ερευνών Ραδιοαστρονομίας (ICRAR), το Ολλανδικό Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας (ΑΣΤΡΟΝ), το CSIRO Αστρονομία και Διαστημική Επιστήμη (CASS), MIT, το Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Σαγκάης , ο Σχολή Εξερεύνησης Γης και Διαστήματος , το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, το Πανεπιστήμιο Κουμαμότο στην Ιαπωνία και το Πανεπιστήμιο Raman στην Ινδία.
Περαιτέρω ανάγνωση: Τα ΝΕΑ σας , The Astrophysical Journal