Sieć 350 radioteleskopów na pustyni Karoo w Afryce Południowej jest coraz bliżej wykrycia „kosmicznego świtu” — ery po Wielkim Wybuchu, kiedy gwiazdy po raz pierwszy zapłonęły, a galaktyki zaczęły kwitnąć.

W artykule przyjętym do druku w r Dziennik astrofizycznyzespół Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) donosi, że podwoił czułość układu, który już wtedy był najbardziej czułym radioteleskopem na świecie przeznaczonym do badania tego wyjątkowego okresu w historii wszechświata.

Chociaż jeszcze nie wykryli emisji radiowych z końca ciemnych wieków kosmicznych, ich wyniki dostarczają wskazówek co do składu gwiazd i galaktyk we wczesnym Wszechświecie. W szczególności ich dane sugerują, że wczesne galaktyki zawierały bardzo niewiele pierwiastków poza wodorem i helem, w przeciwieństwie do naszych dzisiejszych galaktyk.

Kiedy anteny radiowe będą w pełni podłączone i skalibrowane, najlepiej tej jesieni, zespół ma nadzieję zbudować trójwymiarową mapę pęcherzyków zjonizowanego i neutralnego wodoru w miarę ich ewolucji od około 200 milionów lat temu do około 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Mapa może nam powiedzieć, jak wczesne gwiazdy i galaktyki różniły się od tych, które widzimy wokół nas dzisiaj, i jak wyglądał wszechświat jako całość w okresie dojrzewania.

„Zmierza to w kierunku potencjalnie rewolucyjnej techniki w kosmologii. Kiedy już osiągniesz wymaganą czułość, dane zawierają tak wiele informacji” – powiedział Joshua Dillon, naukowiec z University of California, Berkeley’s Department of Astronomy and główny autor artykułu. „Trójwymiarowa mapa większości świecącej materii we wszechświecie jest celem na następne 50 lat lub dłużej”.

Inne teleskopy również zaglądają we wczesny Wszechświat. Nowy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) sfotografował teraz galaktykę, która istniała około 325 milionów lat po narodzinach wszechświata w Wielkim Wybuchu. Ale JWST może zobaczyć tylko najjaśniejsze galaktyki, które powstały podczas epoki rejonizacji, a nie mniejsze, ale znacznie liczniejsze galaktyki karłowate, których gwiazdy ogrzewały ośrodek międzygalaktyczny i jonizowały większość gazowego wodoru.

HERA stara się wykryć promieniowanie z neutralnego wodoru, który wypełniał przestrzeń między tymi wczesnymi gwiazdami i galaktykami, aw szczególności określić, kiedy ten wodór przestał emitować lub pochłaniać fale radiowe, ponieważ został zjonizowany.

Fakt, że zespół HERA nie wykrył jeszcze tych pęcherzyków zjonizowanego wodoru w zimnym wodorze kosmicznej ciemnej epoki, wyklucza niektóre teorie dotyczące ewolucji gwiazd we wczesnym wszechświecie.

W szczególności dane pokazują, że najwcześniejsze gwiazdy, które mogły powstać około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, zawierały niewiele pierwiastków innych niż wodór i hel. Różni się to od składu dzisiejszych gwiazd, które zawierają różne tak zwane metale, astronomiczne określenie pierwiastków, od litu po uran, które są cięższe od helu. Odkrycie jest zgodne z obecnym modelem, w jaki sposób gwiazdy i gwiezdne eksplozje wytworzyły większość innych pierwiastków.

„Wczesne galaktyki musiały znacznie różnić się od galaktyk, które obserwujemy dzisiaj, abyśmy nie widzieli sygnału” – powiedział Aaron Parsons, główny badacz w HERA i profesor astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „W szczególności ich charakterystyka rentgenowska musiała ulec zmianie. W przeciwnym razie wykrylibyśmy sygnał, którego szukamy”.

Skład atomowy gwiazd we wczesnym wszechświecie określał, ile czasu zajęło ogrzanie ośrodka międzygalaktycznego, gdy gwiazdy zaczęły się formować. Kluczem do tego jest wysokoenergetyczne promieniowanie, głównie promieniowanie rentgenowskie, wytwarzane przez gwiazdy podwójne, w których jedna z nich zapadła się w czarną dziurę lub gwiazdę neutronową i stopniowo pożera swojego towarzysza. Przy niewielkiej liczbie ciężkich pierwiastków duża część masy towarzysza jest wydmuchiwana zamiast spadać na czarną dziurę, co oznacza mniej promieniowania rentgenowskiego i mniejsze nagrzewanie otaczającego obszaru.

Nowe dane pasują do najpopularniejszych teorii na temat powstawania gwiazd i galaktyk po Wielkim Wybuchu, ale nie do innych. Wstępne wyniki pierwszej analizy danych HERA, zgłoszone rok temu, wskazywały, że te alternatywy – w szczególności zimna rejonizacja – były mało prawdopodobne.

„Nasze wyniki wskazują, że nawet przed rejonizacją i dopiero 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu gaz między galaktykami musiał być ogrzewany przez promieniowanie rentgenowskie. Prawdopodobnie pochodziło ono z układów podwójnych, w których jedna gwiazda traci masę na rzecz towarzyszącej jej czarnej” dziura – powiedział Dillon. „Nasze wyniki pokazują, że jeśli tak jest, gwiazdy te musiały mieć bardzo niską „metaliczność”, to znaczy bardzo mało pierwiastków innych niż wodór i hel w porównaniu do naszego Słońca, co ma sens, ponieważ mówimy o okresie w czas we wszechświecie, zanim powstała większość pozostałych elementów”.

Epoka rejonizacji

Początek Wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu 13,8 miliarda lat temu wytworzył gorący kocioł energii i cząstek elementarnych, który stygł przez setki tysięcy lat, zanim protony i elektrony połączyły się, tworząc atomy – głównie wodór i hel. Obserwując niebo za pomocą czułych teleskopów, astronomowie sporządzili szczegółowe mapy słabych wahań temperatury od tego momentu — tak zwanego kosmicznego mikrofalowego tła — zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Jednak poza tym reliktowym promieniowaniem cieplnym, wczesny Wszechświat był ciemny. W miarę rozszerzania się wszechświata zlepki materii zasiały galaktyki i gwiazdy, które z kolei wytwarzały promieniowanie — ultrafioletowe i rentgenowskie — które ogrzewało gaz między gwiazdami. W pewnym momencie wodór zaczął się jonizować – stracił swój elektron – i utworzył pęcherzyki w neutralnym wodorze, wyznaczając początek epoki rejonizacji.

Aby zmapować te bąbelki, HERA i kilka innych eksperymentów koncentruje się na długości fali światła, które neutralny wodór pochłania i emituje, ale zjonizowany wodór nie. Nazywany 21-centymetrową linią (częstotliwość 1420 megaherców), jest wytwarzany przez przejście nadsubtelne, podczas którego spiny elektronu i protonu zmieniają się z równoległych na antyrównoległe. Zjonizowany wodór, który stracił swój jedyny elektron, nie absorbuje ani nie emituje tej częstotliwości radiowej.

Od epoki rejonizacji 21-centymetrowa linia została przesunięta ku czerwieni w wyniku rozszerzania się Wszechświata do długości fali 10 razy większej — około 2 metrów lub 6 stóp. Dość proste anteny HERA, zbudowane z drucianej siatki, rur PVC i słupów telefonicznych, mają 14 metrów średnicy w celu zbierania i skupiania tego promieniowania na detektorach.

„Przy długości fali dwóch metrów siatka druciana z kurczaka jest lustrem” – powiedział Dillon. „A wszystkie zaawansowane rzeczy, że tak powiem, znajdują się w zapleczu superkomputera i całej analizie danych, która następuje później”.

Nowa analiza opiera się na 94 nocach obserwacyjnych w 2017 i 2018 roku z około 40 antenami – faza 1 układu. Zeszłoroczna wstępna analiza opierała się na 18 nocach obserwacji fazy 1.

Głównym wynikiem nowego artykułu jest to, że zespół HERA poprawił czułość układu o współczynnik 2,1 dla światła emitowanego około 650 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni lub wzrost długości fali o 7,9) i 2,6 dla promieniowanie wyemitowane około 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni 10,4).

Zespół HERA kontynuuje ulepszanie kalibracji teleskopu i analizę danych w nadziei na zobaczenie tych bąbelków we wczesnym Wszechświecie, które mają około 1 milionową intensywność szumu radiowego w sąsiedztwie Ziemi. Odfiltrowanie lokalnego szumu radiowego, aby zobaczyć promieniowanie z wczesnego Wszechświata, nie było łatwe.

„Jeśli to szwajcarski ser, galaktyki robią dziury, a my szukamy sera”, jak dotąd bezskutecznie, powiedział David Deboer, astronom badawczy w Radio Astronomy Laboratory UC Berkeley.

Rozszerzając jednak tę analogię, Dillon zauważył: „Powiedzieliśmy, że ser musi być cieplejszy, niż gdyby nic się nie stało. Gdyby ser był naprawdę zimny, okazałoby się, że łatwiej byłoby zaobserwować tę plamistość niż gdyby nic się nie stało. gdyby ser był ciepły”.

To w większości wyklucza teorię zimnej rejonizacji, która zakładała zimniejszy punkt wyjścia. Naukowcy z HERA podejrzewają zamiast tego, że promieniowanie rentgenowskie z podwójnych gwiazd rentgenowskich najpierw podgrzało ośrodek międzygalaktyczny.

„Promienie rentgenowskie skutecznie podgrzeją cały blok sera, zanim utworzą się dziury” – powiedział Dillon. „A te dziury to zjonizowane kawałki”.

„HERA nadal ulepsza i ustala coraz lepsze limity” – powiedział Parsons. „Fakt, że jesteśmy w stanie przeć naprzód i mamy nowe techniki, które nadal przynoszą owoce dla naszego teleskopu, jest wspaniały”.

Współpraca HERA jest prowadzona przez UC Berkeley i obejmuje naukowców z całej Ameryki Północnej, Europy i Republiki Południowej Afryki.