Dies ist möglicherweise eine der aufregendsten astronomischen Entdeckungen des Jahrzehnts. Astronomen haben ein Signal von den ersten Sternen entdeckt, um sich im Universum zu bilden.
Von Karl Glazebrook, Technische Universität Swinburne
Ein Signal, das durch die Bildung der allerersten Sterne im Universum verursacht wurde, wurde von einem winzigen, aber hochspezialisierten Radioteleskop in der abgelegenen Wüste Westaustraliens aufgenommen.
Details der Entdeckung werden in einer Veröffentlichung offenbart, die am 28. Februar 2018 in Natur, und erzählen Sie uns, dass diese Sterne erst 180 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.
Dies ist möglicherweise eine der aufregendsten astronomischen Entdeckungen des Jahrzehnts. Eine Sekunde Natur Das ebenfalls am 28. Februar veröffentlichte Papier verbindet den Befund mit dem möglicherweise ersten nachgewiesenen Beweis, dass dunkle Materie, von der angenommen wird, dass sie einen Großteil des Universums ausmacht, mit gewöhnlichen Atomen interagieren könnte.
Das Signal einstellen
Diese Entdeckung wurde von einer kleinen Radioantenne gemacht, die im Frequenzbereich von 50-100 MHz arbeitet und einige bekannte FM-Radiosender überlappt (weshalb sich das Teleskop in der abgelegenen WA-Wüste befindet).
Was entdeckt wurde, ist die Absorption von Licht durch neutrales atomares Wasserstoffgas, das das frühe Universum füllte, nachdem es aus dem heißen Plasma des Urknalls abgekühlt war.
Zu dieser Zeit (180 Millionen Jahre nach dem Urknall) dehnte sich das frühe Universum aus, aber die dichtesten Regionen des Universums kollabierten unter der Schwerkraft und bildeten die ersten Sterne.
Eine Zeitleiste des Universums, die aktualisiert wurde, um zu zeigen, wann die ersten Sterne 180 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten. Bild über N.R. Fuller, National Science Foundation.
Die Bildung der ersten Sterne hatte dramatische Auswirkungen auf den Rest des Universums. Ihre ultraviolette Strahlung veränderte den Elektronenspin in den Wasserstoffatomen, wodurch sie die Hintergrundstrahlung des Universums bei einer natürlichen Resonanzfrequenz von 1.420 MHz absorbierte und sozusagen einen Schatten warf.
Jetzt, 13 Milliarden Jahre später, würde dieser Schatten mit einer viel geringeren Häufigkeit erwartet, da sich das Universum in dieser Zeit fast 18-fach ausgedehnt hat.
Ein frühes Ergebnis
Astronomen hatten dieses Phänomen fast 20 Jahre vorhergesagt und 10 Jahre lang danach gesucht. Niemand wusste genau, wie stark das Signal sein würde oder mit welcher Frequenz gesucht werden sollte.
Die meisten erwarteten, dass es nach 2018 noch einige Jahre dauern würde.
Der Schatten wurde jedoch bei 78 MHz von einem Team unter der Leitung des Astronomen Judd Bowman von der Arizona State University entdeckt.
Erstaunlicherweise wurde diese Funksignalerkennung in den Jahren 2015-2016 von einer kleinen Antenne (dem EDGES-Experiment) durchgeführt, die nur wenige Meter groß war und mit einem sehr intelligenten Funkempfänger und Signalverarbeitungssystem gekoppelt war. Es wurde erst nach eingehender Prüfung veröffentlicht.
Das bodengestützte Funkspektrometer EDGES, das Murchison Radio-Astronomy Observatory von CSIRO in Westaustralien. Bild über CSIRO.
Dies ist die wichtigste astronomische Entdeckung seit der Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015. Die ersten Sterne repräsentieren den Beginn von allem Komplexen im Universum, den Beginn der langen Reise zu Galaxien, Sonnensystemen, Planeten, Leben und Gehirnen.
Das Erkennen ihrer Signatur ist ein Meilenstein und das Festhalten des genauen Zeitpunkts ihrer Entstehung ist ein wichtiges Maß für die Kosmologie.
Das ist ein erstaunliches Ergebnis. Aber es wird besser und noch mysteriöser und aufregender.
Die Darstellung eines Künstlers, wie die ersten Sterne im Universum ausgesehen haben könnten. Bild über N.R. Fuller, National Science Foundation.
Hinweise auf dunkle Materie?
Das Signal ist doppelt so stark wie erwartet, weshalb es so früh erkannt wurde. In dieser Sekunde Natur Auf dem Papier sagte der Astronom Rennan Barkana von der Universität Tel Aviv, es sei ziemlich schwer zu erklären, warum das Signal so stark ist, da es besagt, dass das Wasserstoffgas zu diesem Zeitpunkt deutlich kälter ist als im Standardmodell der kosmischen Evolution erwartet.
Astronomen mögen es, neue Arten von exotischen Objekten einzuführen, um Dinge zu erklären (z. B. supermassive Sterne, schwarze Löcher), aber diese erzeugen im Allgemeinen Strahlung, die die Dinge heißer macht.
Wie macht man die Atome kälter? Sie müssen sie in thermischen Kontakt mit etwas bringen, das noch kälter ist, und der lebensfähigste Verdächtige ist die so genannte kalte dunkle Materie.
Kalte dunkle Materie ist das Fundament der modernen Kosmologie. Es wurde in den 1980er Jahren eingeführt, um zu erklären, wie sich Galaxien drehen - sie schienen sich viel schneller zu drehen, als dies durch die sichtbaren Sterne erklärt werden konnte, und es war eine zusätzliche Gravitationskraft erforderlich.
Wir denken nun, dass dunkle Materie aus einer neuen Art von Grundpartikeln bestehen muss. Es gibt ungefähr sechsmal mehr dunkle Materie als gewöhnliche Materie, und wenn sie aus normalen Atomen bestand, hätte der Urknall ganz anders ausgesehen als das, was beobachtet wird.
Was die Natur dieses Teilchens und seine Masse angeht, können wir nur raten.
Wenn also kalte dunkle Materie im frühen Universum tatsächlich mit Wasserstoffatomen kollidiert und diese abkühlt, ist dies ein großer Fortschritt und könnte uns dazu bringen, ihre wahre Natur zu bestimmen. Dies wäre das erste Mal, dass die Dunkle Materie eine andere Wechselwirkung als die Schwerkraft zeigt.
Hier kommt das "aber" Vorsicht ist geboten. Dieses Wasserstoffsignal ist sehr schwer zu erkennen: Es ist tausende Male leiser als die Hintergrundgeräusche des Radios, selbst an abgelegenen Orten in Westaustralien. Die Autoren des ersten Natur Papier hat mehr als ein Jahr damit verbracht, eine Vielzahl von Tests und Überprüfungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass sie keinen Fehler gemacht haben. Die Empfindlichkeit ihrer Antenne muss über den gesamten Bandpass genau kalibriert werden. Die Erkennung ist eine beeindruckende technische Leistung, aber Astronomen auf der ganzen Welt werden den Atem anhalten, bis das Ergebnis durch ein unabhängiges Experiment bestätigt wird. Wenn dies bestätigt wird, öffnet dies die Tür zu einem neuen Fenster des frühen Universums und möglicherweise zu einem neuen Verständnis der Natur der dunklen Materie, indem ein neues Beobachtungsfenster bereitgestellt wird. Dieses Signal wurde vom ganzen Himmel aus erkannt, kann aber in Zukunft auf den Himmel abgebildet werden, und die Details der Strukturen in den Karten würden uns dann noch mehr Informationen über die physikalischen Eigenschaften der dunklen Materie geben. Weitere Wüstenbeobachtungen Die heutigen Veröffentlichungen sind insbesondere für Australien eine aufregende Neuigkeit. Westaustralien ist die radioaktiv ruhigste Zone der Welt und wird der Hauptstandort für zukünftige Kartierungsbeobachtungen sein. Das Murchison Widefield Array ist derzeit in Betrieb, und zukünftige Upgrades könnten genau eine solche Karte bereitstellen. Eine von 128 Kacheln des Murchison Widefield Array (MWA) -Teleskops. Bild über Flickr / Australisches SKA-Büro / WA-Handelsministerium. Dies ist auch ein wichtiges wissenschaftliches Ziel des Multi-Milliarden-Dollar-Quadratkilometer-Arrays in Westaustralien, das in der Lage sein sollte, viel genauere Bilder dieser Epoche zu liefern. Es ist äußerst aufregend, sich auf eine Zeit zu freuen, in der wir in der Lage sein werden, die Natur der ersten Sterne zu enthüllen und über die Radioastronomie einen neuen Ansatz zur Bekämpfung der dunklen Materie zu finden, der sich bisher als unlösbar erwiesen hat. 
Karl Glazebrook, Direktor und Professor am Zentrum für Astrophysik und Supercomputing der Swinburne University of Technology
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Fazit: Astronomen haben ein Signal der ersten Sterne im Universum entdeckt.