Tým vědců pracujících s rádiovým dalekohledem Murchison Widefield Array (WMA) se snaží najít signál od prvních hvězd vesmíru. Ty první hvězdy vznikly po temném věku vesmíru. Aby našli své první světlo, vědci hledají signál z neutrálního vodíku, plynu, který ovládal vesmír po temném věku.
Trvalo chvíli, než se vytvořily první hvězdy. Po Velkém třesku byl vesmír extrémně horký; příliš horké na to, aby se vytvořily atomy. Bez atomů by nemohly existovat žádné hvězdy. Teprve asi 377 000 let po Velkém třesku se vesmír rozrostl a ochladil natolik, aby se atomy vytvořily, většinou neutrální vodík s malým héliem. (A stopy lithia.) Poté začaly vznikat nejstarší hvězdy během epochy reionizace.
Pro nalezení nepolapitelného signálu z tohoto neutrálního vodíku byla MWA překonfigurována. MWA je ve vzdálené západní Austrálii a při zahájení provozu v roce 2013 měla 2048 rádiových antén uspořádaných do 128 „dlaždic“. Aby bylo možné lovit nepolapitelný neutrální vodíkový signál, počet dlaždic se zdvojnásobil na 256 a celé pole bylo přeskupeno. Všechna data z těchto přijímačů jsou přiváděna do superpočítače zvaného Korelátor.
Nový příspěvek, který má být zveřejněn v Astrophysical Journal, představuje výsledky z první analýzy dat z nově konfigurovaného pole. Příspěvek je nazván „Výsledky výkonového spektra první sezóny MWA Phase II EoR při Redshift 7.“ Vedoucím výzkumným pracovníkem je Wenyang Li, student doktorského studia na Brown University.
Tento výzkum byl zaměřen na pochopení síly signálu z neutrálního vodíku. Analýza stanovila nejnižší limit dosud pro tento signál, což je klíčový výsledek při hledání slabého signálu samotného.
"Můžeme s jistotou říci, že kdyby byl neutrální vodíkový signál silnější, než je limit, který jsme stanovili v článku, dalekohled by to detekoval," řekl Jonathan Pober, odborný asistent fyziky na Brown University a odpovídající autor na nový papír. "Tato zjištění nám mohou pomoci ještě více omezit načasování, kdy skončí vesmírný temný věk a objeví se první hvězdy."
Navzdory tomu, co vypadá jako podrobná časová osa událostí na počátku vesmíru, existují v našem porozumění značné mezery. Víme, že po temném věku začala epocha reionizace. Tehdy vedlo vytvoření atomů ke vzniku prvních struktur ve vesmíru, jako jsou hvězdy, trpasličí galaxie a kvasary. Když se tyto objekty tvořily, jejich světlo se šířilo vesmírem a reionizovalo neutrální vodík. Poté neutrální vodík zmizel z mezihvězdného prostoru.
Vědci chtějí vědět, jak se změnil neutrální vodík, když temný věk ustoupil epochě reionizace a epocha reionizace se rozvinula. První hvězdy, které se vytvořily ve vesmíru, byly stavebními kameny struktury, kterou dnes vidíme, a aby jim porozuměli, vědci musí najít signál z tohoto raného neutrálního vodíku.
Ale to není snadné. Signál je slabý a jeho nalezení vyžaduje velmi citlivé detektory. Přestože neutrální vodík původně vyzařoval své záření na vlnové délce 21 cm, signál byl natažen kvůli expanzi vesmíru. Nyní je to asi 2 metry. Tento 2metrový signál je nyní snadno ztracen mezi řadou dalších signálů, jako je tento, způsobených přírodními i lidskými. To je důvod, proč je MWA ve vzdálené Austrálii, aby jej izoloval od co největšího šumu rádia.
"Všechny tyto zdroje jsou o mnoho řádů silnější než signál, který se snažíme odhalit," řekl Pober. "Dokonce i rádiový signál FM, který se odráží od letounu, který náhodou prochází nad dalekohledem, je dostačující k tomu, aby kontaminoval data."
Zde přichází zpracovatelský výkon superpočítače Correlator. Má sílu zahodit kontaminující signály a také zodpovědět za povahu samotné MWA.
"Když se podíváme na různé rádiové frekvence nebo vlnové délky, dalekohled se chová trochu jinak," řekl Pober. "Korekce odezvy dalekohledu je naprosto kritická pro provedení separace astrofyzikálních kontaminantů a signálu zájmu."
Výsledkem byla rekonfigurace pole, techniky analýzy dat, síla superpočítače a tvrdá práce vědců. Článek představuje novou horní mez signálu neutrálního vodíku. Je to podruhé, co vědci pracující s MWA vydali nový, jemně vyladěný limit. S pokračujícím pokrokem vědci doufají, že najdou nepolapitelný signál samotný.
"Tato analýza ukazuje, že upgrade druhé fáze měl mnoho požadovaných účinků a že nové analytické techniky zlepší budoucí analýzy," řekl Pober. "Skutečnost, že MWA nyní zveřejnila dva nejlepší limity signálu, dává podnět k myšlence, že tento experiment a jeho přístup mají hodně slibu."
Více:
- Tisková zpráva: Vědci jsou o krok blíže než kdy dříve, aby signalizovali kosmickému úsvitu
- Výzkumný článek: Výsledky výkonového spektra MWA II fáze II EoR při Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epocha reionizace
- Space Magazine: Brzy Galaxy Pinpoints Reionization Era
