Zbliżanie się do pierwszego światła we wszechświecie

Wczesny wszechświat był ciemny i wypełniony gorącą zupą nieprzezroczystych cząstek. Kondensują się one, tworząc neutralny wodór, który łączy się, tworząc pierwsze gwiazdy w tym, co astronomowie nazywają erą rejonizacji (EoR).

„Znalezienie słabego sygnału z tego pierwszego światła pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób powstały wczesne gwiazdy i galaktyki” – powiedziała dr Christine Lynch z ASTRO 3D, ARC Center of Excellence for All Astrophysics in Three Dimensions.

Lynch jest pierwszym autorem artykułu badawczego opublikowanego w Publikacje Australijskiego Towarzystwa Astronomicznego. Ona i jej koledzy z Curtin University i Międzynarodowego Centrum Badań Radioastronomicznych zmniejszyli szum tła w swoich obserwacjach, co pozwoliło im zidentyfikować nieuchwytny sygnał.

Zespół pracował z nowym sprzętem zainstalowanym na Murchison Widefield Array (MWA), radioteleskopie znajdującym się w głębi lądu i 800 kilometrów na północ od Perth.

MWA rozpoczęło działalność dekadę temu. Jednym z jego celów jest znalezienie sygnatury fal radiowych tego pierwszego światła, znanego jako era rejonizacji lub „EoR”.

Składa się z kilku niskoczęstotliwościowych „kafelków antenowych” współpracujących ze sobą, aby przeszukać niebo w poszukiwaniu słabych pozostałości strumienia zjonizowanych atomów wodoru, który towarzyszył pierwszemu światłu, rozpoczynając się około 500 milionów do miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

W ostatnim czasie liczba płytek antenowych podwoiła się ze 128 do 256, powiększając powierzchnię zajmowaną przez obiekt – i znacznie zwiększając jego moc.

Łącząc niektóre istniejące kwadraty z 56 nowymi elementami, naukowiec ARC, dr Christine Lynch i jej zespół, byli w stanie przeprowadzić nowy eksperyment na niebie zwany Long Baseline Epoch of Reionisation Survey (LoBES), aby usprawnić długo oczekiwane wyszukiwanie sygnału.

„Naszym wyzwaniem jest to, że wszechświat jest bardzo zatłoczony” – wyjaśnił dr Lynch.

„Istnieje wiele innych źródeł radiowych jaśniejszych niż sygnał EoR między nimi a nami. To jak próba usłyszenia czyjegoś szeptu z drugiego końca pokoju, kiedy między tobą a tą osobą są tysiące innych ludzi krzyczących tak głośno, jak to tylko możliwe.

„Dzięki zastosowaniu nowych kafelków, a tym samym poszerzeniu fizycznego obszaru, w którym działa antena, byliśmy w stanie zredukować wiele tych zakłóceń. W miarę dodawania coraz większej liczby kwadratów będziemy mieli znacznie większą szansę na znalezienie echa to pierwsze światło”.

Dr Lynch współpracował z kolegami z ASTRO 3D i węzła Curtin University w Międzynarodowym Centrum Badań Radioastronomicznych.

Przeskanowali ponad 80 000 źródeł sygnału radiowego i wykonali 16 pomiarów spektroskopowych każdego z nich. Dzięki wynikom stworzyli modele rzeczywiste i symulowane, w których zaszumione sygnały radiowe zostały zredukowane trzykrotnie.

„Sygnał ery rejonizacji rozpoczął życie jako 21 centymetrów fal radiowych atomów wodoru” – wyjaśnił dr Lynch.

„W ciągu miliardów lat choroby rozwinęła się i stała się bardzo podatna. Oczywiste jest, że nasz nowy model nieba LoBES znacznie poprawi wysiłki, aby go prawidłowo zlokalizować.”

Współautorka, profesor Catherine Trout, która jest głównym badaczem ASTRO 3D z ICRAR i Curtinem, dodała: „To jest nasz najgłębszy i najbardziej szczegółowy widok radia nieba w tych polach EoR, a ten nowy katalog zapewnia nam czystszy droga do zlokalizowania sygnału EoR – odkrycie, które byłoby osiągnięciem. Zbyt duże dla astronomii.”