Μόλις βρήκαμε τα πρώτα ίχνη υδρογόνου, που δείχνουν πότε αναφλέγονται τα πρώτα αστέρια

Οι ερευνητές του MIT και του κρατικού πανεπιστημίου της Αριζόνα είναι ενθουσιασμένοι με τα πρώτα αστέρια του Σύμπαντος:έχουν εντοπίσει τα αμυδρά σήματα του αερίου υδρογόνου που ενεργοποιείται από την αστρική ακτινοβολία μόλις 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Από πού προέρχονται όλα; Αυτό είναι ένα από τα ερωτήματα που οι άνθρωποι θέλουν να απαντήσουν από αμνημονεύτων χρόνων. Είναι μια εξαιρετικά περίπλοκη ερώτηση, αλλά η επιστήμη μπορεί να προσφέρει μερικά κομμάτια για να αρχίσει να συνδυάζει την απάντηση. Μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα από ερευνητές του MIT και του κρατικού πανεπιστημίου της Αριζόνα αποκάλυψε ένα θεμελιώδες τέτοιο κομμάτι:τις πρώτες ενδείξεις αερίου υδρογόνου και τις πρώτες ενδείξεις ανάφλεξης άστρων που έχουμε δει ποτέ.

Το αέριο από όπου ήρθαμε

Χρησιμοποιώντας μια κεραία ραδιοφώνου μεγέθους τραπεζιού που κατέρρευσε σε ένα απομακρυσμένο μέρος της δυτικής Αυστραλίας, που ονομάστηκε EDGES (Πείραμα για την ανίχνευση της παγκόσμιας υπογραφής EoR), η ομάδα κατάφερε να συλλάβει σήματα ίχνους που παράγονται από αέριο υδρογόνου, μόλις 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή είναι η πρώτη απόδειξη που έχουμε δει ποτέ για την παρουσία υδρογόνου στο πρώιμο σύμπαν - ένα πολύ σημαντικό εύρημα, δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι το απλούστερο, και επομένως το πρώτο, άτομο εκεί έξω. Η ομάδα ήταν επίσης σε θέση να προσδιορίσει ότι μέχρι εκείνη τη στιγμή, το αέριο έφερε ίχνη από τα πρώτα αστέρια στον κόσμο.

Το όργανο EDGES σχεδιάστηκε για να λαμβάνει ραδιοφωνικά σήματα που παράγονται κατά τη διάρκεια μιας περιόδου στην ιστορία του σύμπαντος γνωστή ως Εποχή του Επανιονισμού ή EoR. Είναι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου που πιστεύουμε ότι οι πρώτες πηγές φωτός (όπως τα αστέρια) ξεπήδησαν στον κόσμο, από ένα είδος κοσμικής αρχέγονης σούπας που αποτελείται κυρίως από αέριο υδρογόνο. Δεν συνέβαιναν πολλά άλλα πριν από αυτή τη φορά, κυρίως λόγω της έλλειψης ενέργειας για την αλλαγή αντικειμένων στο σύμπαν:το υδρογόνο, για παράδειγμα, ήταν σχεδόν αόρατο, καθώς η ενεργειακή του κατάσταση το έκανε να μην διακρίνεται από την ακτινοβολία του κοσμικού υποβάθρου που το περιβάλλει.

Αλλά η γέννηση αυτών των πηγών φωτός και ενέργειας ιονίστηκε το αέριο υδρογόνο, αλλάζοντας την ενεργειακή του κατάσταση και κάνοντάς το να απελευθερώνει ενέργεια ως ραδιοκύματα — και αυτό ακριβώς σχεδιάστηκε να συλλαμβάνει το EDGES.

Ωστόσο, δεν πήγαν όλα σύμφωνα με το σχέδιο. Όταν η ομάδα εξέτασε το εύρος συχνοτήτων που σχεδιάστηκε να λαμβάνει η κεραία, μεταξύ 100 και 200 ​​megahertz, δεν έπιασαν σχεδόν κανένα σήμα.

Κενό-κρύο

Μια εξήγηση που κατέληξαν είναι ότι τα θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιήσαμε για να υπολογίσουμε ποιες εκπομπές θα εκπέμψει αυτό το πρώιμο υδρογόνο υπερεκτίμησαν τη θερμοκρασία του αερίου. Έτσι τσάκισαν ξανά τους αριθμούς, αυτή τη φορά υποθέτοντας ότι το υδρογόνο και το περιβάλλον του ήταν περίπου στην ίδια, χαμηλότερη θερμοκρασία. Αποφάσισαν ότι το καλύτερο στοίχημά τους ήταν να ψάξουν το εύρος συχνοτήτων 50 έως 100 megahertz, έτσι επέστρεψαν την κεραία τους και γύρισαν ξανά τον διακόπτη.

Η συσκευή ανέλαβε ένα επίπεδο προφίλ απορρόφησης (δηλαδή μια βύθιση στο φάσμα ραδιοκυμάτων) με κέντρο περίπου 78 megahertz. Ο Rogers προσθέτει ότι η συχνότητα αντιστοιχεί σε «περίπου 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη», προσθέτοντας ότι «αυτή πρέπει να είναι η πιο πρώιμη» ανίχνευση σήματος από υδρογόνο που έχουμε ακόμη. Για να βάλουμε τα πράγματα στη θέση τους, γνωρίζουμε ότι το σύμπαν είναι τουλάχιστον 11 δισεκατομμυρίων ετών και οι περισσότερες εκτιμήσεις τοποθετούν την ηλικία του πάνω από 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Το προφίλ ραδιοφώνου ταιριάζει με θεωρητικές προβλέψεις αλληλεπίδρασης αστεριού-υδρογόνου. Αυτά τα πρώιμα αστρικά σώματα έριξαν υπεριώδη ακτινοβολία έξω στο κενό, ιονίζοντας οποιοδήποτε περιβάλλον σώμα υδρογόνου. Ως αποτέλεσμα, το αέριο άρχισε να απορροφά την ακτινοβολία υποβάθρου, η οποία άλλαξε το σπιν στο μοναδικό του ηλεκτρόνιο. Τελικά, αυτή η αλλαγή έκανε τα άτομα να εκπέμπουν, αντί να απορροφούν, ακτινοβολία, σε χαρακτηριστικό μήκος κύματος 21 εκατοστών ή με συχνότητα 1.420 megahertz — να γίνουν, στην πραγματικότητα, «ορατά» για πρώτη φορά.

Η μετατόπιση του κόκκινου επηρέασε αυτά τα κύματα, επομένως, όταν έφτασε στη σημερινή Γη, ήταν κάπου στην περιοχή των 100 megahertz.

Αλλά η βουτιά στο ραδιοφάσμα ήταν επίσης ισχυρότερη και βαθύτερη από ό,τι προέβλεπαν τα μοντέλα - υποδηλώνοντας ότι το υδρογόνο ήταν πράγματι ψυχρότερο από ό,τι υποτίθεται προηγουμένως. Η ομάδα εκτιμά ότι το αέριο υδρογόνο και το σύμπαν στο σύνολό του πρέπει να ήταν δύο φορές πιο κρύα από ό,τι είχε εκτιμηθεί προηγουμένως, σε περίπου 3 Κέλβιν ή -270,15 βαθμούς Κελσίου / -454 βαθμούς Φαρενάιτ.

Τα άκρα της ανακάλυψης

Η έρευνα είναι πιθανότατα το καλύτερο παράθυρο που θα έχουμε στην πρώιμη ιστορία του σύμπαντος για πολύ καιρό ακόμη. Χρειάστηκε μια απίστευτη επιστημονική προσπάθεια για να ληφθούν αυτά τα αποτελέσματα. Χρειάστηκαν χρόνια σκληρής δουλειάς για μηχανικούς και επιστήμονες να σχεδιάσουν, να επανασχεδιάσουν και να επαναβαθμονομήσουν το όργανο EDGES για να έχουν ακόμη και την ελπίδα να λάβουν αυτά τα σήματα. Ο Peter Kurczynski, διευθυντής προγράμματος για Προηγμένες Τεχνολογίες και Όργανα στο Τμήμα Αστρονομικών Επιστημών στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, τον οργανισμό που κατασκεύασε το EDGES, το συγκρίνει με το «να είσαι στη μέση ενός τυφώνα και να προσπαθείς να ακούσεις το πτερύγιο του φτερού ενός κολιμπρί. ”

Χτίστηκε στη μέση του πουθενά της Αυστραλίας (το οποίο πρέπει να είναι τουλάχιστον πουθενά σε τετράγωνο) επειδή ήταν το πιο απομακρυσμένο μέρος στο οποίο μπορούσαν να φτάσουν — και αυτή η περιορισμένη παρέμβαση από ανθρωπογενή ραδιοφωνικά σήματα, τα οποία θα εξουδετέρωναν εύκολα οποιοδήποτε από τα σήματα η κεραία σχεδιάστηκε για να ενεργοποιείται.

Είναι επίσης η πρώτη πραγματική ματιά που έχουμε σε αυτήν την περίοδο του σύμπαντος, μια ιδιαίτερα σημαντική περίοδο - αυτές ήταν, τελικά, οι πρώτες μέρες του σύμπαντος. Τα θεμέλια όλων όσων βλέπουμε σήμερα τέθηκαν κατά τη διάρκεια εκείνης της Εποχής.

Η εργασία, «Ένα προφίλ απορρόφησης με επίκεντρο τα 78 megahertz στο φάσμα του μέσου όρου του ουρανού» δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature .