Big Bang kan ha varit ljus och dramatisk, men omedelbart efter det blev universum mörkt och under mycket lång tid. Forskare tror att de första stjärnorna dykt upp i en lerig buljong av materia 200 miljoner år efter den heta starten. Eftersom moderna teleskop inte är tillräckligt känsliga för att observera ljuset från dessa stjärnor direkt letar astronomer efter indirekta bevis på deras existens.
Och så lyckades ett forskargrupp hämta en svag signal från dessa stjärnor med hjälp av en radioantenn på bordsstorlek som heter EDGES. Spektakulära mätningar som öppnar ett nytt fönster i det tidiga universumet visar att dessa stjärnor dykt upp 180 miljoner år efter Big Bang. Arbetet publicerat i Nature föreslår också att forskare kan tänka om vad "mörk materia" - en mystisk typ av osynligt ämne - består av.
Modeller visade att de första stjärnorna som belyste universum var blåa och kortlivade. De nedsänktes universum i ett bad av ultraviolett ljus. Den allra första observerbara signalen från denna kosmiska gryning har länge ansetts vara en "absorptionssignal" - en minskning av ljusstyrkan vid en viss våglängd - orsakad av ljusets passage och påverkar de fysiska egenskaperna hos vätgasmoln, det vanligaste elementet i universum.
Vi vet att denna nedgång bör detekteras i radiovågsdelen av det elektromagnetiska spektrumet med en våglängd på 21 cm.
Komplex mätning
Kampanjvideo:
I början fanns en teori som förutspådde allt detta. Men i praktiken är det extremt svårt att hitta en sådan signal. Detta beror på att det flätas samman med många andra signaler i denna region av spektrumet som är mycket starkare - till exempel de vanliga frekvenserna för radiosändningar och radiovågor från andra händelser i vår galax. Anledningen till att forskarna lyckades var delvis för att experimentet var utrustat med en känslig mottagare och en liten antenn, vilket gjorde det möjligt att täcka ett stort område av himlen relativt lätt.
För att säkerställa att någon minskning av ljusstyrkan som de hittade berodde på det tidiga universums stjärnljus såg forskarna på Doppler-skiftet. Du känner till den här effekten genom att sänka tonhöjden när en bil med blinker och siren passerar dig. På samma sätt, när galaxer rör sig bort från oss på grund av universums expansion, skiftas ljus mot röda våglängder. Astronomer kallar denna effekt för”redshift”.
Rödskiftet berättar för forskare hur långt ett moln av gas är från jorden och hur länge sedan, enligt kosmiska standarder, släpptes ljus från den. I detta fall indikerar varje ljusförskjutning som förväntas vid 21 cm våglängd gasrörelse och avstånd. Forskare mätte nedgången i ljusstyrka som inträffade under olika kosmiska tidsperioder fram till det ögonblick då universum bara var 180 miljoner år gammalt och jämförde det med sitt nuvarande tillstånd. Det var ljuset från de allra första stjärnorna.
Hej mörk materia
Historien slutar inte där. Forskare blev förvånade över att signalamplituden var dubbelt så stor som förutsagd. Detta antyder att vätgas var mycket kallare än väntat från mikrovågsbakgrunden.
Dessa resultat publicerades i en annan artikel i Nature och kastade en betekrok för teoretiska fysiker. Detta beror på att det framgår av fysiken att gasen vid denna tidpunkt av universums existens var lätt att värma upp, men svår att kyla. För att förklara den ytterligare kylning som är associerad med signalen, måste gasen interagera med något ännu kallare. Och det enda kallare än kosmisk gas i det tidiga universum var mörk materia. Teoretiker måste nu avgöra om de kan utöka standardmodellen för kosmologi och partikelfysik för att förklara detta fenomen.
Vi vet att det finns fem gånger mer mörk materia än vanlig materia, men vi vet inte vad den består av. Flera varianter av partiklar har föreslagits som kan utgöra mörk materia, och favoriten bland dem är den svagt interagerande massiva partikeln (WIMP).
Den nya studien föreslår dock att den mörka materiens partikel inte ska vara mycket tyngre än protonen (som kommer in i atomkärnan tillsammans med neutronen). Detta ligger långt under de massor som WIMP förutsäger. Analysen antyder också att mörk materia är kallare än väntat, och öppnar för en fascinerande möjlighet att använda "21 cm kosmologi" som en sond för mörk materia i universum. Ytterligare upptäckter med känsligare mottagare och mindre störningar från markbunden radio kan avslöja mer detaljer om naturen hos mörk materia och kanske till och med indikera den hastighet med vilken den färdas.
Ilya Khel
