Ett team av forskare som arbetar med radioteleskopet Murchison Widefield Array (WMA) försöker hitta signalen från universumets första stjärnor. De första stjärnorna bildades efter universumets mörka åldrar. För att hitta sitt första ljus letar forskarna efter signalen från neutralt väte, gasen som dominerade universum efter de mörka åldrarna.
Det tog ett tag innan de första stjärnorna bildades. Efter Big Bang var universum extremt hett; för varmt för atomer att bildas. Utan atomer kunde det inte finnas några stjärnor. Det var först ungefär 377 000 år efter Big Bang som universum expanderade och kyldes tillräckligt för att atomer kunde bildas, mestadels neutralt väte med lite helium. (Och spår av litium.) Därefter började de tidigaste stjärnorna att bildas, under epok av Reionization.
För att hitta den svårfångade signalen från det neutrala väte, omkonfigurerades MWA. MWA finns i avlägsna västra Australien, och det hade 2048 radioantenner anordnade i 128 "brickor" när det började driften 2013. För att jaga efter den svårfångade neutrala vätgasignalen fördubblades antalet plattor till 256, och hela matrisen var möblerat om. All data från dessa mottagare matas in i en superdator som kallas korrelatorn.
En ny artikel som publiceras i Astrophysical Journal presenterar resultaten från den första analysen av data från den nyligen konfigurerade matrisen. Uppsatsen heter "First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7." Ledande forskare är Wenyang Li, doktorand vid Brown University.
Denna forskning syftade till att förstå styrkan hos signalen från det neutrala väte. Analysen satte den lägsta gränsen ännu för den signalen, ett nyckelresultat i sökningen efter själva svag signal.
"Vi kan med säkerhet säga att om den neutrala vätgasignalen var någon starkare än gränsen som vi satt i papperet, så skulle teleskopet ha upptäckt det," sade Jonathan Pober, biträdande professor i fysik vid Brown University och motsvarande författare på nytt papper. "Dessa fynd kan hjälpa oss att ytterligare begränsa tidpunkten för när de kosmiska mörka åldrarna slutade och de första stjärnorna kom fram."
Trots vad som ser ut som en detaljerad tidslinje över händelser i det tidiga universum, finns det betydande luckor i vår förståelse. Vi vet att efter de mörka åldrarna började epoket med reionisering. Det var när bildandet av atomer ledde till uppkomsten av de första strukturerna i universum, som stjärnor, dvärggalaxier och kvasarer. När dessa föremål bildades spridde deras ljus genom universumet och återjoniserade det neutrala väte. Därefter försvann det neutrala väte från det interstellära rymden.
Forskare vill veta hur det neutrala väte förändrades när de mörka åldrarna gav plats för Reonization Epoch, och Epoch of Reionization utvecklades. De första stjärnorna som bildades i universum var byggstenar i strukturen vi ser idag, och för att förstå dem måste forskare hitta signalen från det tidiga neutrala väte.
Men det är inte lätt. Signalen är svag och det krävs extremt känsliga detektorer för att hitta den. Även om det neutrala väte från början släppte ut sin strålning med en våglängd på 21 cm, har signalen sträckts på grund av universums expansion. Det är nu cirka 2 meter. Den 2-metersignalen går nu lätt förlorad bland en mängd andra signaler som den, både naturliga och människors orsakade. Det är därför MWA finns i avlägsna Australien för att isolera den från så mycket radiobrus som möjligt.
"Alla dessa andra källor är många storleksordningar starkare än den signal vi försöker upptäcka," sade Pober. "Till och med en FM-radiosignal som reflekteras från ett flygplan som råkar passera ovanför teleskopet är tillräckligt för att förorena uppgifterna."
Det är här processorkraften hos Correlator-superdatorn kommer in. Den har makten att kassera kontaminerande signaler och också ta hänsyn till själva MWA: s natur.
"Om vi tittar på olika radiofrekvenser eller våglängder, uppför teleskopet lite annorlunda," sade Pober. "Korrigering av teleskopsvaret är absolut avgörande för att sedan göra separationen av astrofysiska föroreningar och signalen av intresse."
Omkonfigurationen av matrisen, dataanalyssteknikerna, kraften i superdatorn och forskarnas hårda arbete gav resultat. Papperet presenterar en ny övre gräns för signalen från det neutrala väte. Det är andra gången som forskare som arbetar med MWA släppt en ny, mer finjusterad gräns. Med fortsatta framsteg hoppas forskare att hitta den svårfångade signalen själv.
"Denna analys visar att uppgraderingen i fas två hade mycket av de önskade effekterna och att de nya analysteknikerna kommer att förbättra framtida analyser," sade Pober. "Det faktum att MWA nu har publicerat back-to-back de två bästa gränserna för signalen ger fart på idén att detta experiment och dess strategi har mycket löfte."
Mer:
- Pressmeddelande: Forskare är närmare än någonsin för att signalera från kosmisk gryning
- Forskningsrapport: Första säsongen MWA Fas II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7
- MIT Haystack Observatory: Epoch of Reionization
- Space Magazine: Early Galaxy Pinpoints Reionization Era
