Det er potentielt en af de mest spændende astronomiske opdagelser i årtiet. Astronomer har opdaget et signal fra de 1. stjerner, der skal dannes i universet.
Af Karl Glazebrook, Swinburne University of Technology
Et signal forårsaget af de allerførste stjerner, der dannes i universet, er blevet afhentet af et lille, men højt specialiseret radioteleskop i den fjerntliggende australske ørken.
Detaljer om påvisningen afsløres i et papir, der blev offentliggjort den 28. februar 2018, i Natur, og fortæl os, at disse stjerner dannede sig kun 180 millioner år efter Big Bang.
Det er potentielt en af de mest spændende astronomiske opdagelser i årtiet. Et sekund Natur papir, der også blev offentliggjort den 28. februar, knytter fundet til muligvis det første opdagede bevis for, at mørkt stof, der antages at udgøre meget af universet, kan interagere med almindelige atomer.
Indstilling til signalet
Denne opdagelse blev foretaget af en lille radioantenne, der opererer i båndet 50-100 MHz, som overlapper nogle velkendte FM-radiostationer (hvilket er grunden til, at teleskopet er placeret i den fjerne WA-ørken).
Det, der er blevet påvist, er absorptionen af lys med neutral atombrintgas, der fyldte det tidlige univers, efter at det afkølet fra Big Bangs varme plasma.
På dette tidspunkt (180 millioner år efter Big Bang) ekspanderede det tidlige univers, men universets tætteste regioner kollapsede under tyngdekraften for at danne de første stjerner.
En tidslinje for universet, opdateret for at vise, hvornår de første stjerner dukkede op, opstod 180 millioner år efter Big Bang. Billede via N.R. Fuller, National Science Foundation.
Dannelsen af de første stjerner havde en dramatisk effekt på resten af universet. Ultraviolet stråling fra dem ændrede elektronspændingen i brintatomerne, hvilket fik det til at absorbere universets baggrundsradioemission ved en naturlig resonansfrekvens på 1.420 MHz og kastede en skygge så at sige.
Nu, 13 milliarder år senere, ville den skygge forventes med en langt lavere frekvens, fordi universet er udvidet næsten 18 gange i den tid.
Et tidligt resultat
Astronomer havde forudsagt dette fænomen i næsten 20 år og søgte efter det i 10 år. Ingen vidste helt, hvor stærkt signalet ville være, eller på hvilken frekvens der skal søges.
Mest forventet, at det ville tage ganske mange år mere efter 2018.
Men skyggen blev opdaget ved 78 MHz af et hold ledet af astronom Judd Bowman fra Arizona State University.
Forbløffende blev denne radiosignaldetektion i 2015-2016 udført med en lille antenne (EDGES-eksperimentet), kun få meter i størrelse, koblet til en meget smart radiomodtager og signalbehandlingssystem. Det er først blevet offentliggjort nu efter streng kontrol.
EDGES-jordbaserede radiospektrometer, CSIROs Murchison Radio-astronomi-observatorium i Western Australia. Billede via CSIRO.
Dette er den vigtigste astronomiske opdagelse siden påvisningen af tyngdekraftsbølger i 2015. De første stjerner repræsenterer starten på alt det komplekse i universet, begyndelsen på den lange rejse til galakser, solsystemer, planeter, liv og hjerner.
Detektering af deres signatur er en milepæl, og det er en vigtig måling for kosmologien at fastlægge det nøjagtige tidspunkt for deres dannelse.
Dette er et fantastisk resultat. Men det bliver bedre og endnu mere mystisk og spændende.
En kunstners gengivelse af, hvordan de første stjerner i universet kan have set ud. Billede via N.R. Fuller, National Science Foundation.
Bevis for mørkt stof?
Signalet er dobbelt så stærkt som forventet, hvorfor det er blevet opdaget så tidligt. I det andet Natur papir sagde astronom Rennan Barkana fra Tel Aviv University, at det er ret svært at forklare, hvorfor signalet er så stærkt, da det fortæller os, at brintgas på dette tidspunkt er væsentligt koldere end forventet i standardmodellen for kosmisk udvikling.
Astronomer kan lide at introducere nye slags eksotiske objekter for at forklare ting (f.eks. Supermassive stjerner, sorte huller), men disse producerer generelt stråling, der gør tingene varmere i stedet.
Hvordan gør du atomerne koldere? Du er nødt til at sætte dem i termisk kontakt med noget endnu koldere, og den mest levedygtige mistænkte er det, der kaldes kold mørk stof.
Kold mørk stof er grundstenen i moderne kosmologi. Det blev introduceret i 1980'erne for at forklare, hvordan galakser roterer - de så ud til at dreje meget hurtigere, end det kunne forklares med de synlige stjerner, og der var behov for en ekstra tyngdekraft.
Vi mener nu, at mørkt stof skal laves af en ny type grundlæggende partikel. Der er omkring seks gange mere mørkt stof end almindeligt stof, og hvis det var lavet af normale atomer, ville Big Bang have set meget anderledes ud end hvad der observeres.
Med hensyn til arten af denne partikel og dens masse kan vi kun gætte.
Så hvis koldt mørkt stof faktisk kolliderer med brintatomer i det tidlige univers og afkøler dem, er dette et stort fremskridt og kan føre til, at vi fastlægger dets sande natur. Dette ville være første gang, mørkt stof har demonstreret andre interaktioner end tyngdekraften.
Her kommer 'men' En note af forsigtighed er berettiget. Dette brintsignal er meget vanskeligt at registrere: det er tusindvis af gange svagere end baggrundsradiostøj, selv for det fjerntliggende sted i det vestlige Australien. Forfatterne af den første Natur papir har brugt mere end et år på at udføre en lang række test og kontroller for at sikre sig, at de ikke har begået en fejl. Følsomheden for deres antenne skal kalibreres nøjagtigt over hele båndgangen. Påvisningen er en imponerende teknisk præstation, men astronomer overalt i verden holder deres åndedrag, indtil resultatet er bekræftet af et uafhængigt eksperiment. Hvis det bekræftes, vil dette åbne døren til et nyt vindue i det tidlige univers og potentielt en ny forståelse af arten af mørkt stof ved at give et nyt observationsvindue ind i det. Dette signal er detekteret fra hele himlen, men i fremtiden kan det kortlægges på himlen, og detaljerne i strukturerne på kortene vil derefter give os endnu mere information om de fysiske egenskaber ved den mørke stof. Flere ørkenobservationer Dagens publikationer er især spændende nyheder for Australien. Western Australia er den mest radiostille zone i verden og vil være det primære sted for fremtidige kortlægningsobservationer. Murchison Widefield Array er i drift lige nu, og fremtidige opgraderinger kunne give nøjagtigt et sådant kort. En af 128 fliser til Murchison Widefield Array (MWA) -teleskopet. Billede via Flickr / australske SKA-kontor / WA Department of Commerce. Dette er også et vigtigt videnskabeligt mål med den firkantede kilometer-array med flere milliarder dollars, der ligger i det vestlige Australien, og som skal være i stand til at give meget større troværdighedsbilleder af denne epoke. Det er ekstremt spændende at se frem til en tid, hvor vi vil være i stand til at afsløre de første stjerners natur og få en ny tilgang via radioastronomi til at tackle mørke stoffer, som hidtil har vist sig at være ufravigelige. 
Karl Glazebrook, direktør og fremtrædende professor, Center for Astrofysik & Supercomputing, Swinburne University of Technology
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.
Nederste linje: Astronomer har opdaget et signal fra de første stjerner, der dannes i universet.