Et team av forskere som jobber med radioteleskopet Murchison Widefield Array (WMA) prøver å finne signalet fra universets første stjerner. De første stjernene dannet etter Universets mørke alder. For å finne sitt første lys, leter forskerne etter signalet fra nøytralt hydrogen, gassen som dominerte universet etter mørketiden.
Det tok litt tid før de første stjernene ble dannet. Etter Big Bang var universet ekstremt varmt; for varmt til at atomer dannes. Uten atomer kunne det ikke være noen stjerner. Det var først rundt 377 000 år etter Big Bang at universet hadde utvidet seg og avkjølt nok til at atomer ble dannet, for det meste nøytralt hydrogen med litt helium. (Og spor av litium.) Etter det begynte de tidligste stjernene å danne seg under epok av reionisering.
For å finne det unnvikende signalet fra det nøytrale hydrogenet ble MWA rekonfigurert. MWA befinner seg i avsidesliggende Vest-Australia, og den hadde 2048 radioantenner arrangert i 128 “fliser” da den startet driften i 2013. For å jakte på det unnvikende nøytrale hydrogensignalet ble antall fliser doblet til 256, og hele matrisen var omorganiseres. Alle dataene fra disse mottakerne mates inn i en superdatamaskin som heter Correlator.
En ny artikkel som skal publiseres i Astrophysical Journal presenterer resultatene fra den første analysen av data fra den nylig konfigurerte matrisen. Oppgaven heter tittelen "First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7." Lederforsker er Wenyang Li, doktorgradsstudent ved Brown University.
Denne forskningen hadde som mål å forstå styrken til signalet fra det nøytrale hydrogenet. Analysen satte den laveste grensen ennå for det signalet, et nøkkelresultat i søket etter det svake signalet.
"Vi kan med tillit si at hvis det nøytrale hydrogensignalet var noe sterkere enn grensen vi satte i papiret, ville teleskopet ha oppdaget det," sa Jonathan Pober, adjunkt i fysikk ved Brown University og tilsvarende forfatter på nytt papir. "Disse funnene kan hjelpe oss med å begrense timingen for når de kosmiske mørke tidene tok slutt og de første stjernene dukket opp."
Til tross for det som ser ut som en detaljert tidslinje for hendelser i det tidlige universet, er det betydelige hull i vår forståelse. Vi vet at etter den mørke alderen begynte epoket til reionisering. Det var da dannelsen av atomer førte til utseendet til de første strukturene i universet, som stjerner, dverggalakser og kvasarer. Etter hvert som de gjenstandene dannet seg, spredte deres lys seg gjennom universet og ioniserte det nøytrale hydrogenet. Etter det forsvant det nøytrale hydrogenet fra det interstellare rommet.
Forskere ønsker å vite hvordan det nøytrale hydrogenet endret seg da mørke aldre ga vei for epokens gjenreisning, og reokaliseringens epok utspilte seg. De første stjernene som dannes i universet var byggesteiner i strukturen vi ser i dag, og for å forstå dem, trenger forskere å finne signalet fra det tidlige nøytrale hydrogenet.
Men det er ikke lett. Signalet er svakt, og det tar ekstremt følsomme detektorer å finne det. Selv om det nøytrale hydrogenet først ga ut sin stråling med en bølgelengde på 21 cm, har signalet blitt strukket på grunn av universets utvidelse. Det er nå omtrent 2 meter. Det 2-meters signalet går nå lett tapt blant en rekke andre signaler som det, både naturlig og menneskeskapt. Det er derfor MWA befinner seg i avsidesliggende Australia for å isolere den fra så mye radiostøy som mulig.
"Alle disse andre kildene er mange størrelsesordener sterkere enn signalet vi prøver å oppdage," sa Pober. "Selv et FM-radiosignal som reflekteres av et fly som tilfeldigvis passerer over teleskopet, er nok til å forurense dataene."
Det er her prosessorkraften til Correlator superdatamaskinen kommer inn. Den har kraften til å forkaste forurensende signaler, og også ta hensyn til arten av selve MWA.
"Hvis vi ser på forskjellige radiofrekvenser eller bølgelengder, oppfører teleskopet litt annerledes," sa Pober. "Å korrigere for teleskopresponsen er helt avgjørende for å gjøre separasjon av astrofysiske forurensninger og signalet av interesse."
Rekonfigurasjonen av matrisen, dataanalyseteknikkene, kraften til superdatamaskinen og det harde arbeidet til forskere ga resultater. Oppgaven presenterer en ny øvre grense for signalet fra det nøytrale hydrogenet. Dette er andre gang forskere som arbeider med MWA, har gitt ut en ny, mer finjustert grense. Med fortsatt fremgang håper forskere å finne det unnvikende signalet.
"Denne analysen viser at fase to-oppgraderingen hadde mange ønskede effekter, og at de nye analyseteknikkene vil forbedre fremtidige analyser," sa Pober. "Det faktum at MWA nå har publisert back-to-back de to beste grensene for signalet gir momentum til ideen om at dette eksperimentet og dets tilnærming har mange løfter."
Mer:
- Pressemelding: Forskere er nærmere enn noen gang for å signalisere fra kosmisk daggry
- Research Paper: Første sesong MWA fase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epoch of Reionization
- Space Magazine: Early Galaxy Pinpoints Reionization Era
