Eerste sterren gezien door mist van 'Early Universe': Study

Een team van astronomen heeft een methode ontwikkeld waarmee ze door de mist van het vroege heelal kunnen 'zien' en het licht van de eerste sterren en sterrenstelsels kunnen detecteren.


  Eerste sterren gezien door mist van'Early Universe': Study
Representatief beeld. Afbeelding tegoed: ANI
  • Land:
  • Verenigde Staten

Een team van astronomen heeft een methode ontwikkeld waarmee ze door de mist van de vroege ochtend kunnen 'kijken' Universum en licht van de eerste sterren en sterrenstelsels te detecteren. De onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Cambridge , hebben een methodologie ontwikkeld waarmee ze de eerste sterren kunnen observeren en bestuderen door de waterstofwolken die de Universum ongeveer 378.000 jaar na de oerknal.



Het observeren van de geboorte van de eerste sterren en sterrenstelsels is al tientallen jaren een doel van astronomen, omdat het zal helpen verklaren hoe de Universum evolueerde van de leegte na de oerknal naar het complexe rijk van hemellichamen die we vandaag waarnemen, 13,8 miljard jaar later. De Square Kilometre Array (SKA) - een telescoop van de volgende generatie die tegen het einde van het decennium moet worden voltooid - zal waarschijnlijk in staat zijn om beelden te maken van het vroegste licht in de Universum , maar voor de huidige telescopen is de uitdaging om het kosmologische signaal van de sterren door de dikke waterstofwolken heen te detecteren.

Het signaal dat astronomen willen detecteren, is naar verwachting ongeveer honderdduizend keer zwakker dan andere radiosignalen die ook uit de lucht komen - bijvoorbeeld radiosignalen die afkomstig zijn uit ons eigen melkwegstelsel. Het gebruik van een radiotelescoop zelf introduceert vervormingen in het ontvangen signaal, wat het kosmologische signaal van belang volledig kan verduisteren. Dit wordt beschouwd als een extreme observatie-uitdaging in de moderne radiokosmologie. Dergelijke instrumentgerelateerde verstoringen worden vaak gezien als het belangrijkste knelpunt bij dit soort observaties.





Nu heeft het door Cambridge geleide team een ​​methode ontwikkeld om door de oerwolken en andere luchtruissignalen te kijken, waarbij het nadelige effect van de door de radiotelescoop veroorzaakte vervormingen wordt vermeden. Hun methodologie, onderdeel van het REACH-experiment (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), stelt astronomen in staat om de vroegste sterren te observeren door hun interactie met de waterstofwolken, op dezelfde manier waarop we een landschap zouden afleiden door naar schaduwen in de mist. Hun methode zal de kwaliteit en betrouwbaarheid verbeteren van waarnemingen van radiotelescopen die kijken naar deze onontgonnen sleuteltijd in de ontwikkeling van het heelal. De eerste waarnemingen uit REACH worden later dit jaar verwacht.

De resultaten worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Nature Astronomy. 'Toen de eerste sterren zich vormden, Universum was grotendeels leeg en bestond voornamelijk uit waterstof en helium,' zei dr. Eloy de Lera Acedo van Cambridge's Cavendish Laboratory, de hoofdauteur van het artikel.



Hij voegde eraan toe: 'Vanwege de zwaartekracht kwamen de elementen uiteindelijk samen en waren de omstandigheden geschikt voor kernfusie, wat de eerste sterren vormde. Maar ze waren omringd door wolken van zogenaamde neutrale waterstof, die licht heel goed absorberen, dus het is moeilijk om het licht achter de wolken direct te detecteren of te observeren.' In 2018 publiceerde een andere onderzoeksgroep (die het 'Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature' -- of EDGES runt) een resultaat dat duidde op een mogelijke detectie van dit vroegste licht, maar astronomen hebben het resultaat niet kunnen herhalen -- waardoor ze dachten dat het oorspronkelijke resultaat mogelijk te wijten was aan interferentie van de gebruikte telescoop.

'Het oorspronkelijke resultaat zou nieuwe fysica vereisen om het te verklaren, vanwege de temperatuur van het waterstofgas, dat veel koeler zou moeten zijn dan ons huidige begrip van de Universum zou toestaan. Als alternatief kan een onverklaarbare hogere temperatuur van de achtergrondstraling - meestal verondersteld de bekende kosmische microgolfachtergrond te zijn - de oorzaak zijn', zei de Lera Acedo. Hij voegde eraan toe: 'Als we kunnen bevestigen dat het eerder gevonden signaal experiment echt van de eerste sterren was, de implicaties zouden enorm zijn.'

goku-afbeeldingen

Om deze periode in de ontwikkeling van het heelal te bestuderen, vaak aangeduid als de Kosmische Dageraad, bestuderen astronomen de lijn van 21 centimeter - een elektromagnetische stralingssignatuur van waterstof in het vroege heelal. Ze zoeken een radiosignaal dat het contrast meet tussen de straling van de waterstof en de straling achter de waterstofmist. De door de Lera Acedo en zijn collega's ontwikkelde methodologie maakt gebruik van Bayesiaanse statistieken om een ​​kosmologisch signaal te detecteren in aanwezigheid van interferentie van de telescoop en algemene ruis uit de lucht, zodat de signalen kunnen worden gescheiden.

Hiervoor zijn state-of-the-art technieken en technologieën uit verschillende vakgebieden vereist. De onderzoekers gebruikten simulaties om een ​​echte waarneming na te bootsen met behulp van meerdere antennes, wat de betrouwbaarheid van de gegevens verbetert - eerdere waarnemingen waren gebaseerd op een enkele antenne.

'Onze methode analyseert gezamenlijk gegevens van meerdere antennes en over een bredere frequentieband dan vergelijkbare huidige instrumenten. Deze aanpak zal ons de nodige informatie geven voor onze Bayesiaanse gegevensanalyse', zei de Lera Acedo. Hij voegde eraan toe: 'In wezen vergaten we traditionele ontwerpstrategieën en concentreerden we ons in plaats daarvan op het ontwerpen van een telescoop die geschikt is voor de manier waarop we de gegevens willen analyseren - zoiets als een omgekeerd ontwerp. Dit zou ons kunnen helpen dingen te meten vanaf de Kosmische Dageraad tot in de het tijdperk van reïonisatie, toen waterstof in de Universum werd opnieuw geïoniseerd.'

De bouw van de telescoop wordt momenteel afgerond in het Karoo-radioreservaat in Zuid-Afrika , een locatie gekozen vanwege de uitstekende omstandigheden voor radiowaarnemingen van de lucht. Het is ver verwijderd van door mensen veroorzaakte radiofrequentie-interferentie, bijvoorbeeld televisie- en FM-radiosignalen. Het REACH-team van meer dan 30 onderzoekers is multidisciplinair en wereldwijd verspreid, met experts op gebieden als theoretische en observationele kosmologie, antenneontwerp, radiofrequentie-instrumentatie, numerieke modellering, digitale verwerking, big data en Bayesiaanse statistiek. REACH wordt mede geleid door de Universiteit van Stellenbosch in Zuid-Afrika.

Professor de Villiers, co-leider van het project aan de Universiteit van Stellenbosch in Zuid-Afrika zei: 'Hoewel de antennetechnologie die voor dit instrument wordt gebruikt vrij eenvoudig is, maken de harde en externe implementatieomgeving en de strikte toleranties die vereist zijn bij de productie dit een zeer uitdagend project om aan te werken.' Hij voegde eraan toe: 'We zijn enorm enthousiast om te zien hoe goed het systeem zal presteren, en hebben er het volste vertrouwen in dat we die ongrijpbare detectie zullen doen.' (ANI)