Een team van wetenschappers die met de Murchison Widefield Array (WMA) -radiotelescoop werken, probeert het signaal van de eerste sterren van het heelal te vinden. Die eerste sterren ontstonden na de donkere middeleeuwen van het universum. Om hun eerste licht te vinden, zoeken de onderzoekers het signaal van neutrale waterstof, het gas dat na de middeleeuwen het universum domineerde.
Het duurde even voordat de eerste sterren zich vormden. Na de oerknal was het universum extreem heet; te heet om atomen te vormen. Zonder atomen zouden er geen sterren kunnen zijn. Het duurde tot ongeveer 377.000 jaar na de oerknal dat het heelal voldoende was uitgezet en afgekoeld om atomen te vormen, meestal neutraal waterstof met een beetje helium. (En sporen van lithium.) Daarna begonnen de vroegste sterren te vormen, tijdens het tijdperk van reionisatie.
Om het ongrijpbare signaal van die neutrale waterstof te vinden, werd de MWA opnieuw geconfigureerd. De MWA bevindt zich in het afgelegen West-Australië en het had 2048 radioantennes die in 128 "tegels" waren gerangschikt toen het in 2013 begon te werken. Om te jagen op het ongrijpbare neutrale waterstofsignaal, werd het aantal tegels verdubbeld tot 256 en werd de hele reeks herschikt. Alle gegevens van deze ontvangers worden ingevoerd in een supercomputer genaamd de Correlator.
Een nieuw artikel dat in het Astrophysical Journal zal worden gepubliceerd, presenteert de resultaten van de eerste analyse van gegevens uit de nieuw geconfigureerde array. De paper is getiteld "First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7." De hoofdonderzoeker is Wenyang Li, een promovendus aan de Brown University.
Dit onderzoek was gericht op het begrijpen van de sterkte van het signaal van de neutrale waterstof. De analyse stelde de laagste limiet tot nu toe voor dat signaal, een belangrijk resultaat in de zoektocht naar het zwakke signaal zelf.
"We kunnen met vertrouwen zeggen dat als het neutrale waterstofsignaal sterker was dan de limiet die we in het papier hadden gesteld, de telescoop het zou hebben gedetecteerd", zegt Jonathan Pober, assistent-professor natuurkunde aan de Brown University en corresponderend auteur van de nieuw papier. "Deze bevindingen kunnen ons helpen om de timing van het einde van de kosmische donkere tijdperken verder te beperken en de eerste sterren te voorschijn kwamen."
Ondanks wat lijkt op een gedetailleerde tijdlijn van gebeurtenissen in het vroege heelal, zijn er aanzienlijke hiaten in ons begrip. We weten dat na de donkere middeleeuwen het tijdperk van reionisatie begon. Dat was het moment waarop de vorming van atomen leidde tot het verschijnen van de eerste structuren in het heelal, zoals sterren, dwergstelsels en quasars. Terwijl die objecten zich vormden, verspreidde hun licht zich door het heelal en ioniseerde het neutrale waterstof opnieuw. Daarna verdween de neutrale waterstof uit de interstellaire ruimte.
Wetenschappers willen weten hoe de neutrale waterstof veranderde toen de donkere middeleeuwen plaats maakten voor het tijdperk van reionisatie en het tijdperk van reionisatie zich ontvouwde. De eerste sterren die zich in het heelal vormden, waren bouwstenen van de structuur die we tegenwoordig zien, en om ze te begrijpen, moeten wetenschappers het signaal van die vroege neutrale waterstof vinden.
Maar dat is niet makkelijk. Het signaal is zwak en er zijn extreem gevoelige detectoren voor nodig om het te vinden. Hoewel de neutrale waterstof aanvankelijk zijn straling uitzond bij een golflengte van 21 cm, is het signaal uitgerekt vanwege de uitzetting van het heelal. Het is nu ongeveer 2 meter. Dat signaal van 2 meter gaat nu gemakkelijk verloren tussen een groot aantal andere soortgelijke signalen, zowel natuurlijk als door de mens veroorzaakt. Daarom bevindt de MWA zich in het afgelegen Australië, om hem te isoleren van zoveel mogelijk radiogeluid.
"Al deze andere bronnen zijn vele ordes van grootte sterker dan het signaal dat we proberen te detecteren", zei Pober. "Zelfs een FM-radiosignaal dat wordt weerkaatst door een vliegtuig dat toevallig boven de telescoop passeert, is voldoende om de gegevens te besmetten."
Hier komt de verwerkingskracht van de Correlator-supercomputer om de hoek kijken. Hij heeft de kracht om vervuilende signalen te verwijderen en ook om rekening te houden met de aard van de MWA zelf.
'Als we naar verschillende radiofrequenties of golflengten kijken, gedraagt de telescoop zich een beetje anders', zei Pober. "Correctie voor de telescoopreactie is absoluut cruciaal om vervolgens de scheiding van astrofysische verontreinigingen en het signaal van belang te doen."
De herconfiguratie van de array, de data-analysetechnieken, de kracht van de supercomputer en het harde werk van onderzoekers leverden resultaten op. Het papier presenteert een nieuwe bovengrens voor het signaal van de neutrale waterstof. Dit is de tweede keer dat wetenschappers die met de MWA werken, een nieuwe, fijner afgestemde limiet hebben vrijgegeven. Met voortdurende vooruitgang hopen wetenschappers het ongrijpbare signaal zelf te vinden.
"Deze analyse toont aan dat de upgrade van fase twee veel van de gewenste effecten had en dat de nieuwe analysetechnieken toekomstige analyses zullen verbeteren," zei Pober. "Het feit dat MWA nu de twee beste limieten voor het signaal heeft gepubliceerd, geeft het idee dat dit experiment en de aanpak ervan veelbelovend is."
Meer:
- Persbericht: Wetenschappers komen dichterbij dan ooit om te signaleren vanuit de kosmische dageraad
- Onderzoeksdocument: MWA Fase II EoR Power Spectrum-resultaten van het eerste seizoen bij Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epoch of Reionization
- Space Magazine: Early Galaxy Pinpoints Reionization Era
