Zespół astronomów opracował metodę, która pozwoli im „widzieć” przez mgłę wczesnego Wszechświata i wykryć światło pierwszych gwiazd i galaktyk.

Naukowcy, kierowani przez Uniwersytet 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 jest celem astronomów od dziesięcioleci, ponieważ pomoże wyjaśnić, w jaki sposób Wszechświat ewoluował od pustki po Wielkim Wybuchu do złożonego królestwa obiektów niebieskich, które obserwujemy dzisiaj, 13,8 miliarda lat później.

Square Kilometre Array (SKA) – teleskop nowej generacji, który ma zostać ukończony pod koniec dekady – będzie prawdopodobnie w stanie wykonać obrazy najwcześniejszego światła we Wszechświecie, ale dla obecnych teleskopów wyzwaniem jest wykrycie kosmologicznego sygnału gwiazd przez gęste obłoki wodoru.

Sygnał, który astronomowie chcą wykryć, ma być 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 do odbieranego sygnału zniekształcenia, które mogą całkowicie przesłonić interesujący nas sygnał kosmologiczny. Jest to uważane za ekstremalne wyzwanie obserwacyjne we współczesnej radiokosmologii. Takie zniekształcenia związane z instrumentami są powszechnie obwiniane jako główne wąskie gardło w tego typu obserwacjach.

Teraz zespół kierowany przez Cambridge opracował metodologię, która pozwala widzieć przez obłoki pierwotne 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 chmurami wodoru, w taki sam sposób, w jaki wnioskowalibyśmy o krajobrazie, patrząc na cienie we mgle.

Ich metoda poprawi jakość i wiarygodność obserwacji z radioteleskopów patrzących na ten niezbadany, kluczowy czas w rozwoju Wszechświata. Pierwsze obserwacje z REACH spodziewane są jeszcze w tym roku.

O wynikach badań informuje dziś czasopismo Nature Astronomy.

„W czasie, gdy formowały się pierwsze gwiazdy, Wszechświat był w większości pusty i składał się głównie z wodoru i helu” – powiedział dr Eloy de Lera Acedo z Cambridge’s Cavendish Laboratory, główny autor pracy.

Dodał: „Ze względu na grawitację, pierwiastki w końcu się połączyły i warunki były odpowiednie dla fuzji jądrowej, co uformowało pierwsze gwiazdy. Ale były one otoczone chmurami tak zwanego neutralnego wodoru, które naprawdę dobrze absorbują światło, więc trudno jest wykryć lub obserwować bezpośrednio światło za chmurami.”

W 2018 roku inna grupa badawcza (prowadząca „Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature” — lub EDGES) opublikowała wynik, który podpowiadał możliwą detekcję tego najwcześniejszego światła, ale astronomowie nie byli w stanie powtórzyć tego rezultatu — co prowadzi do przekonania, że oryginalny wynik mógł być spowodowany zakłóceniami ze strony używanego teleskopu.

„Oryginalny wynik wymagałby nowej fizyki, aby go wyjaśnić, ze względu na temperaturę gazu wodorowego, który powinien być znacznie chłodniejszy niż pozwalałoby na to nasze obecne rozumienie Wszechświata. Alternatywnie, niewyjaśniona wyższa temperatura promieniowania tła — typowo zakładana jako dobrze znane Kosmiczne Mikrofalowe Tło — mogłaby być przyczyną” powiedział de Lera Acedo.

Dodał: „Jeśli uda nam się potwierdzić, że sygnał znaleziony w tym wcześniejszym eksperymencie naprawdę pochodził od pierwszych gwiazd, implikacje byłyby ogromne.”

Aby zbadać ten okres w rozwoju Wszechświata, często określany jako Kosmiczny Świt, astronomowie badają linię 21 centymetrów — sygnaturę promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego od wodoru we wczesnym Wszechświecie. Szukają sygnału radiowego, który mierzy kontrast pomiędzy promieniowaniem pochodzącym od wodoru a promieniowaniem znajdującym się za mgłą wodoru.

Metodologia opracowana przez de Lera Acedo i jego współpracowników wykorzystuje statystykę Bayesa do wykrycia sygnału kosmologicznego w obecności zakłóceń od teleskopu i ogólnego szumu z nieba, tak aby można było rozdzielić sygnały.

Aby tego dokonać, potrzebne były najnowocześniejsze techniki i technologie z różnych dziedzin.

Naukowcy wykorzystali symulacje, aby naśladować prawdziwą 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 da nam informacje niezbędne do naszej bayesowskiej analizy danych” – powiedział de Lera Acedo.

Dodał: „W zasadzie zapomnieliśmy o tradycyjnych strategiach projektowania i skupiliśmy się na zaprojektowaniu teleskopu dostosowanego do sposobu, w jaki planujemy analizować dane – coś w rodzaju odwróconego projektu. To może pomóc nam mierzyć rzeczy od Kosmicznego Świtu i do epoki rejonizacji, kiedy to wodór we Wszechświecie był rejonizowany.”

Budowa teleskopu jest obecnie finalizowana w rezerwacie radiowym Karoo w RPA, lokalizacji wybranej ze względu na doskonałe warunki do radiowych obserwacji nieba. Jest ona oddalona od zakłóceń częstotliwości radiowych wytwarzanych przez człowieka, na przykład sygnałów telewizyjnych i radiowych FM.

Zespół REACH składający się z ponad 30 naukowców jest multidyscyplinarny i rozproszony po całym świecie, z ekspertami w takich dziedzinach jak kosmologia teoretyczna i obserwacyjna, projektowanie anten, oprzyrządowanie radiowe, modelowanie numeryczne, przetwarzanie cyfrowe, big data i statystyka bayesowska. REACH jest współprowadzony przez Uniwersytet Stellenbosch w RPA.

Profesor de Villiers, współprowadzący projekt na Uniwersytecie Stellenbosch w RPA powiedział: „Chociaż technologia antenowa zastosowana w tym instrumencie jest raczej prosta, to trudne i zdalne środowisko rozmieszczenia oraz ścisłe tolerancje wymagane przy produkcji sprawiają, że praca nad tym projektem jest bardzo wymagająca”.

Dodał: „Jesteśmy niezwykle podekscytowani, aby zobaczyć, jak dobrze system będzie działał i mamy pełną pewność, że dokonamy tej nieuchwytnej detekcji.”

Wielki Wybuch i bardzo wczesne czasy Wszechświata są dobrze poznanymi epokami, dzięki badaniom kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Jeszcze lepiej rozumiana jest późna i powszechna ewolucja gwiazd i innych obiektów niebieskich. Jednak czas powstania pierwszego światła w Kosmosie jest fundamentalnym brakującym elementem w układance historii Wszechświata.

Źródło: University of Cambridge