Nach den am weitesten verbreiteten kosmologischen Theorien entstanden die ersten Sterne im Universum einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Leider waren Astronomen nicht in der Lage, sie zu „sehen“, da ihr Auftauchen während der kosmologischen Periode, die als „dunkles Zeitalter“ bekannt ist, zusammenfiel. Während dieser Zeit, die vor etwa 13 Milliarden Jahren endete, füllten Gaswolken das Universum, die sichtbares und infrarotes Licht verdunkelten.
Astronomen haben jedoch gelernt, dass Licht aus dieser Zeit als schwaches Funksignal wahrgenommen werden kann. Aus diesem Grund sind Radioteleskope wie das Murchison Widefield Array (MWA) gebaut. Verwenden von Daten, die von diesem Array erhalten wurden letztes Jahr , durchforstet ein internationales Forscherteam die bisher genauesten Radiodaten aus dem frühen Universum, um herauszufinden, wann genau das kosmische „Dunkle Zeitalter“ endete.
Wie sie in ihrer Studie angegeben haben, die in Das Astrophysikalische Journal Im vergangenen Jahr war es dem Team gelungen, aus mehr als 21 Stunden Datenerhebung des MWA zehnmal so viele elektromagnetische Störungen (im Vergleich zur Norm) herauszufiltern. Ausgestattet mit diesen stark verbesserten Daten durchsucht das Team nun alles nach verräterischen Hinweisen auf ein Funksignal, das aus dem „dunklen Zeitalter“ stammt.
Die Urknall-Zeitleiste des Universums, die zeigt, wann und in welchen Wellenlängen Dinge sichtbar wurden. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Aktuelle Modelle der Kosmologie sagen uns, dass das Universum kurz nach dem Urknall mit heißem, dichtem Plasma gefüllt war. Elektronen und Photonen verfingen sich in dieser Zeit regelmäßig, was das Universum undurchsichtig machte. Weniger als eine Million Jahre später wurden Elektron-Photon-Wechselwirkungen seltener und das expandierende Universum wurde zunehmend transparent. Allerdings gab es zu dieser Zeit noch keine Sterne oder Galaxien, die das Universum dunkel ließen.
So würde es auch für die nächsten hundert Millionen Jahre bleiben, wo der Kosmos mit neutralem Wasserstoff gefüllt war (Wasserstoffatome mit einem Proton und einem Elektron, die keine Gesamtladung haben). Ungefähr 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall begannen sich neutrale Wasserstoffatome zu versammeln, um die ersten Sterne zu bilden, was die Epoche der Reionisation einleitete und das „dunkle Zeitalter“ beendete.
Als sich die ersten Sterne bildeten, wandelten das Licht und die Strahlung, die sie aussendeten, einen Großteil des neutralen Wasserstoffs im Universum in ionisiertes Plasma um, das auch heute noch den interstellaren Raum dominiert. Leider ist es schwierig zu erkennen, wann dieser Übergang stattgefunden hat, da elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten (Wärme-) Wellenlängenbereich bei bestehenden Instrumenten einfach nicht sichtbar ist.
Studenten und Forscher der Brown University, Curtin University und der UW bauen neue Antennen für das Murchison Widefield Array. Credit: MWA Collaboration/Curtin University
Wie Platzhalterbild für Miguel Morales , ein UW-Physikprofessor und Hauptautor des Artikels, erklärt in a IHRE Pressemitteilung :
„Für dieses dunkle Zeitalter gibt es natürlich kein lichtbasiertes Signal, das wir studieren könnten, um etwas darüber zu erfahren – es gab kein sichtbares Licht! Aber es gibt ein bestimmtes Signal, nach dem wir suchen können. Es kommt von all dem neutralen Wasserstoff. Wir haben dieses Signal noch nie gemessen, aber wir wissen, dass es da draußen ist. Und es ist schwer zu erkennen, denn in den 13 Milliarden Jahren, seit dieses Signal ausgesendet wurde, ist unser Universum zu einem sehr geschäftigen Ort geworden, gefüllt mit anderen Aktivitäten von Sternen, Galaxien und sogar unserer Technologie, die das Signal des neutralen Wasserstoffs übertönt.“
Dieses Signal entspricht der Frequenz und Wellenlänge, bei der Wasserstoff von der Neutralität in die Ladung übergeht. Diese Grenze, auch als „Wasserstofflinie“ bekannt, befindet sich bei 21 cm (1.420,4 MHz) im Funkspektrum. Das Auffinden dieser Signale im Weltraum ist der Schlüssel zur Bestimmung der Entstehung der ersten Sterne und des Endes des dunklen Zeitalters, wodurch Astronomen wichtige Hinweise auf die kosmische Entwicklung erhalten.
„Die Epoche der Reionisation und das ihr vorangegangene dunkle Zeitalter sind kritische Perioden für das Verständnis der Merkmale unseres Universums, beispielsweise warum wir einige Regionen mit Galaxien gefüllt und andere relativ leer haben, die Verteilung von Materie und möglicherweise sogar dunkler Materie und dunkler Energie.“ Moral hinzugefügt.
Kängurus im Murchison Widefield Array. Credit: MWA Collaboration/Curtin University
Das Murchison Widefield Array, ein Radioteleskop in Westaustralien, ist auch die Hauptaufgabe des Teams bei der Suche nach diesen Signalen. Dieses Array besteht aus 4.096 Dipolantennen, die niederfrequente Signale wie die elektromagnetische Signatur von neutralem Wasserstoff aufnehmen können. Diese Signale sind aufgrund elektromagnetischer Interferenzen von anderen kosmischen (oder erdgebundenen) Quellen sehr schwer zu erkennen.
Um dieses Hintergrundrauschen zu eliminieren und die Erkennungswahrscheinlichkeit zu verbessern, haben Morales und seine Kollegen immer ausgefeiltere Methoden entwickelt. Dies beinhaltet die Einführung eines redundanten Subarrays von hexagonalen Kernen und pseudozufälligen Basislinien sowie verbesserte Analysetechniken, Datenqualitätskontrollmethoden und interferometrische Kalibrierungsansätze.
All diese Informationen waren in der Studie des Teams von 2019 enthalten, die auf der Doktorarbeit von Teammitglied und Co-Autor basierte Nichole Barry – derzeit Postdoc an der University of Melbourne. Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, etwa 3.000 Stunden zusätzlicher Emissionsdaten zu sortieren, die von der MWA gesammelt wurden, und hofft, noch mehr Rauschen herauszufiltern, damit sie dieses schwer fassbare Signal erkennen können.
Teil des Murchison Widefield Array bei Nacht. Bildnachweis: John Goldfield/Celestial Visions
Wenn sie erfolgreich sind, haben Astronomen endlich ein Fenster in die früheste Periode des Universums. Zusammen mit Radioteleskop-Arrays auf der ganzen Welt, die immer ausgefeilter werden, wird dies es Astronomen und Kosmologen ermöglichen, ihre Theorien darüber zu testen, wie und wann wichtige Ereignisse in der Evolution unseres Universums stattfanden. Genannt Moral:
„Wir glauben, dass die Eigenschaften des Universums in dieser Zeit einen großen Einfluss auf die Entstehung der ersten Sterne hatten und die strukturellen Merkmale des heutigen Universums in Bewegung setzten. Die Art und Weise, wie Materie zu dieser Zeit im Universum verteilt wurde, hat wahrscheinlich die heutige Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen geprägt.“
Das Team bestand aus Forschern der ASTRO 3D Zusammenarbeit, die Internationales Zentrum für Radioastronomieforschung (ICRAR), die Niederländisches Institut für Radioastronomie (ASTRON), die CSIRO Astronomie und Weltraumwissenschaft (CASS), MIT, die Astronomisches Observatorium von Shanghai , das Schule für Erd- und Weltraumforschung , Arizona State University, Kumamoto University in Japan und Raman University in Indien.
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