Wykryto oznaki istnienia pierwszych gwiazd we Wszechświecie

Do poszukiwań takiego sygnału, świadczącego pośrednio o obecności pierwszych gwiazd, naukowcy wykorzystali radioteleskop o nazwie Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES), który znajduje się w Murchison Radio-astronomy Observatory w Australii. Obserwacje rozpoczęto w sierpniu 2015 r. Grupą badawczą kierował dr Judd Bowman z Arizona State University w USA.

Po odfiltrowaniu zakłóceń od naszej własnej Galaktyki, generowanych przez człowieka i różnych innych zaburzeń, dostrzeżono przewidywany teoretycznie sygnał. Było to bardzo niewielkie osłabienie promieniowania. Naukowcy potrzebowali aż dwóch lat, aby upewnić się, że to rzeczywisty sygnał, a nie np. zaburzenia od szumu instrumentów lub detektorów.

Uważa się, że około 13,8 miliarda lat temu miał miejsce tzw. Wielki Wybuch i Wszechświat zaczął się gwałtownie rozszerzać. Na skutek rozszerzania, zjonizowana plazma wypełniająca kosmos szybko ochłodziła się. Po około 370 tysiącach lat zaczęły tworzyć się neutralne atomy wodoru, które później pod wpływem grawitacji tworzyły zgęszczenia, z których powstały pierwsze gwiazdy. Światło było wtedy blokowane przez gaz wodorowy.

Zobaczenie światła tych pierwszych gwiazd jest praktycznie niemożliwe dla teleskopów naziemnych, ale możliwa jest ich detekcja w sposób pośredni. Gdy we wczesnym Wszechświecie powstawały pierwsze gwiazdy, ich ultrafioletowe promieniowanie oddziaływało na pierwotny gaz wodorowy i wzbudzało go do przejścia w inny stan, w którym absorbował fotony kosmicznego promieniowania tła. Teoretycznie więc można by było spróbować wykryć spowodowane tym niewielkie osłabienie tzw. kosmicznego promieniowania tła. I właśnie to udało się dokonać naukowcom z grupy dr Bowmana.

Przy czym o ile wodór neutralny absorbuje i emituje promieniowanie na fali o długości 21 cm (1420 MHz), to wskutek rozszerzania się Wszechświata, promieniowanie z odległych krańców kosmosu będziemy odbierali na niższych częstotliwościach. Opisywane osłabienie wykryto na częstotliwości 78 MHz, co na podstawie przesunięcia ku czerwieni oznacza, że sygnał pochodzi z okresu 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dodatkowo ustalono, iż osłabienie w sygnale zaniknęło w ciągu kolejnych 100 milionów lat przypuszczalnie dlatego, że atomy wodoru zostały przez ten okres rozgrzane powyżej temperatury promieniowania.

Dzięki innym projektom, takim jak rozmieszczona w kilku krajach europejskich sieć radioteleskopów LOFAR pracująca na niskich częstotliwościach radiowych, astronomom być może uda się w przyszłości wykonać mapy zmian intensywności opisywanego sygnału na niebie.

Okazało się, że wykryty sygnał jest dwukrotnie silniejszy niż przewidywano teoretycznie. Możliwe są dwa wytłumaczenia: albo tło radiowe było w tamtej epoce Wszechświata silniejsze niż sądzą naukowcy, albo gaz wodorowy był znacznie chłodniejszy. Badacze z grupy Bowmana uważają, że bardziej prawdopodobne jest to drugie wyjaśnienie. Co prawda nie wiadomo, co mogłoby tak ochłodzić wodór, ale jest obiecujący kandydat do takiego zadania – to ciemna materia, tajemniczy składnik Wszechświata, którego jest znacznie więcej niż zwykłem materii. Ciemna materia nie świeci, ani nie absorbuje promieniowania, a o jej istnieniu wnioskujemy na podstawie oddziaływań grawitacyjnych na zwykłą materię. Jeśli dalsze badania potwierdziłyby przypuszczenie Bowmana, to dowiedzielibyśmy się czegoś więcej na temat własności ciemnej materii.

Więcej informacji: https://www.nature.com/articles/nature25792.epdf

https://www.nature.com/articles/d41586-018-02616-8 (PAP)

cza/ ekr/