Τέσσερα χρόνια μετά, το νέο πείραμα δεν βλέπει κανένα σημάδι «Κοσμικής Αυγής»
Το 2018, οι αστρονόμοι που λειτουργούσαν μια κεραία που ονομάζεται EDGES στην αυστραλιανή περιοχή ανέφεραν ότι τα ραδιοκύματα μιας συγκεκριμένης συχνότητας ήταν σημαντικά πιο αμυδρά από άλλα κύματα που προέρχονται από τον νυχτερινό ουρανό. Το εύρημα δημοσιεύτηκε στο Nature , αναγγέλθηκε ως ένα πρωτοποριακό σήμα από τη γέννηση των πρώτων αστεριών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη — ένα γεγονός που ονομάστηκε «κοσμική αυγή», το οποίο θα έπρεπε να είχε σφραγίσει μια τέτοια υπογραφή στο φως.
Επιπλέον, η πτώση του ραδιοφάσματος που παρατηρήθηκε από το EDGES φαινόταν εντυπωσιακά διαφορετική από ό,τι είχαν προβλέψει οι κοσμολόγοι. Τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν εκπληκτικά κρύο, προκαλώντας μεγάλη θεωρητική δραστηριότητα και προσπάθειες επιβεβαίωσης του σήματος από άλλους αστρονόμους σε όλο τον κόσμο.
Σήμερα, μια τέτοια ομάδα, στο Ινστιτούτο Έρευνας Raman στην Μπανγκαλόρ της Ινδίας, δημοσίευσε το αποτέλεσμα της αναζήτησής της για την βύθιση EDGES χρησιμοποιώντας μια κεραία ραδιοφώνου που ονομάζεται SARAS. Οι αστρονόμοι έθεσαν την κεραία σε ένα ζευγάρι απομακρυσμένων λιμνών στην Ινδία στις αρχές του 2020, μειώνοντας τη συλλογή δεδομένων τους και επιστρέφοντας στη Μπανγκαλόρ ώρες πριν ξεκινήσει το πρώτο lockdown σε όλη την πόλη για τον COVID. Αφού πέρασε την πανδημία αναλύοντας τα δεδομένα της, η ομάδα SARAS αναφέρει τώρα στο Nature Astronomy ότι δεν βρήκαν ίχνος της βουτιάς που παρατηρήθηκε από το EDGES.
«Θα έπρεπε να είχε αναπαραχθεί στα δεδομένα τους αν ήταν πραγματικά στον ουρανό», είπε ο Άαρον Πάρσονς, ραδιοαστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος δεν συμμετείχε σε κανένα πείραμα. "Δεν βλέπω πολύ χώρο για κουνήματα εκεί."
Ο Judd Bowman, επικεφαλής του πειράματος EDGES που βασίζεται στο κρατικό πανεπιστήμιο της Αριζόνα, λέει ότι χρειάζεται περαιτέρω δουλειά για να διευθετηθεί το ζήτημα. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε τα αποτελέσματα από τις πρώιμες παρατηρήσεις τους», έγραψε σε ένα email, προσθέτοντας ότι «δεδομένης της δυσκολίας στην πραγματοποίηση αυτών των τύπων παρατηρήσεων, υπάρχει μια ουσιαστική διαδικασία για την αξιολόγηση και την ενσωμάτωση αυτής της νέας εργασίας στη συνεχιζόμενη έρευνα."
Τα άτομα υδρογόνου απορροφούν φυσικά και εκπέμπουν ραδιοκύματα με μήκος κύματος 21 εκατοστών. Αυτά τα κύματα στόχευαν να ανιχνεύσουν το EDGES και το SARAS. Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού τους στη Γη, τα κύματα τεντώνονται από τη διαστολή του σύμπαντος. Τα κύματα από πιο μακρινά σύννεφα υδρογόνου διαστέλλονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και φτάνουν στη Γη με μεγαλύτερα μήκη κύματος από τα κύματα που εκπέμπονται πιο πρόσφατα από πιο κοντινά σύννεφα. Το τέντωμα του φωτός δίνει στους αστρονόμους μια χρονικά σφραγισμένη καταγραφή γεγονότων στην κοσμική ιστορία.
Οι αστρονόμοι έχουν χρησιμοποιήσει εκπομπή 21 εκατοστών για να μελετήσουν τους κοντινούς γαλαξίες για περισσότερο από μισό αιώνα. Όμως πιο πρόσφατα, με πειράματα όπως το EDGES και το SARAS, άρχισαν να μετρούν μεγαλύτερα μήκη κύματος, τα οποία κρύβονται περισσότερο από επίγειες και γαλαξιακές ραδιοπαρεμβολές, αναζητώντας εκπομπές από νέφη υδρογόνου βαθύτερα στο παρελθόν.
Όταν τα άτομα υδρογόνου σχηματίστηκαν για πρώτη φορά, απορρόφησαν και στη συνέχεια εξέπεμψαν ακτινοβολία περιβάλλοντος 21 εκατοστών με ίσους ρυθμούς, γεγονός που έκανε τα νέφη υδρογόνου που γέμιζαν το αρχέγονο σύμπαν ουσιαστικά αόρατα.
Μετά ήρθε η κοσμική αυγή. Η υπεριώδης ακτινοβολία από τα πρώτα αστέρια διεγείρει ατομικές μεταπτώσεις που επέτρεψαν στα άτομα υδρογόνου να απορροφήσουν περισσότερα κύματα 21 εκατοστών από αυτά που εξέπεμψαν. Από τη Γη, αυτή η υπερβολική απορρόφηση θα εμφανιζόταν ως πτώση της φωτεινότητας σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος ραδιοφώνου που σηματοδοτεί τη στιγμή που άνοιξαν τα αστέρια.
Με τον καιρό, τα πρώτα αστέρια κατέρρευσαν σε μαύρες τρύπες. Το καυτό αέριο που στροβιλίζεται γύρω από αυτές τις μαύρες τρύπες παρήγαγε ακτίνες Χ που θέρμαναν νέφη υδρογόνου σε όλο το σύμπαν, αυξάνοντας τον ρυθμό εκπομπών 21 εκατοστών. Θα το παρατηρούσαμε αυτό ως μια αύξηση της φωτεινότητας σε ένα ελαφρώς μικρότερο μήκος κύματος ραδιοφώνου από αυτό του παλαιότερου φωτός. Το καθαρό αποτέλεσμα θα ήταν μια πτώση στη φωτεινότητα σε ένα στενό εύρος μήκους κύματος ραδιοφώνου, όπως αυτό που ανιχνεύεται από το EDGES.
Αλλά η παρατηρούμενη βύθιση, που σημειώθηκε γύρω από ένα μήκος κύματος 4 μέτρων, δεν ήταν αυτό που περίμεναν οι θεωρητικοί κοσμολόγοι:Ο χρόνος και το σχήμα της γούρνας ήταν απενεργοποιημένα, υποδεικνύοντας ότι τα πρώτα αστέρια άναψαν εκπληκτικά νωρίς και ότι οι ακτίνες Χ πλημμύρισαν σύντομα το σύμπαν Μετά. Ακόμη πιο περίεργο, η βουτιά ήταν πολύ έντονη, υποδηλώνοντας ότι το υδρογόνο στο πρώιμο σύμπαν ήταν ψυχρότερο από ό,τι προέβλεπαν τα θεωρητικά μοντέλα, πιθανώς λόγω εξωτικών αλληλεπιδράσεων με τη σκοτεινή ύλη που γεμίζει το σύμπαν.
Ή ίσως η βουτιά EDGES είχε μια πιο κοσμική προέλευση.
Οι εκπομπές υδρογόνου 21 εκατοστών από την εποχή της κοσμικής αυγής φτάνουν στη Γη με μήκη κύματος αρκετών μέτρων, στο εύρος που χρησιμοποιείται για ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές εκπομπές FM. γι' αυτό το EDGES λειτουργούσε σε μια τόσο απομακρυσμένη τοποθεσία. Επιπλέον, το σήμα κατακλύζεται από ραδιοφωνικές εκπομπές χιλιάδες φορές πιο φωτεινές από τον δικό μας γαλαξία και παραμορφώνεται από το πέρασμά του από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης.
Δεν είναι λιγότερο σημαντικά τα διακριτικά εφέ από την ίδια την κεραία. Το περιβάλλον μιας κεραίας ραδιοφώνου μπορεί να αλλάξει ελαφρώς την περιοχή του νυχτερινού ουρανού στην οποία είναι ευαίσθητη. Σε ένα τόσο ακριβές πείραμα, ακόμη και οι αχνές αντανακλάσεις από επιφάνειες που βρίσκονται δεκάδες μέτρα μακριά μπορεί να έχουν σημασία. Η επίδραση τέτοιων ανακλάσεων θα ενισχυόταν σε ορισμένα μήκη κύματος ραδιοφώνου, με αποτέλεσμα μια μικρή διακύμανση στην περιοχή παρατήρησης της κεραίας — και επομένως ενδεχομένως στη μετρούμενη φωτεινότητα — σε διαφορετικά μήκη κύματος.
Η ομάδα EDGES όντως είδε αυτό το είδος κυματισμού στα δεδομένα της και οι κύριοι ένοχοι, ίσως κατάλληλα, ήταν οι άκρες μιας μεταλλικής οθόνης πλάτους 30 μέτρων που τοποθετήθηκε στο έδαφος γύρω από την κεραία για να εμποδίσει τις εκπομπές ραδιοφώνου από το ίδιο το έδαφος. Η ομάδα διόρθωσε για πιθανές αντανακλάσεις από αυτές τις άκρες στην ανάλυσή της, αλλά όπως παρατήρησαν ορισμένοι αστρονόμοι εκείνη την εποχή, αν η διόρθωση ήταν έστω και ελαφρώς μακριά, το αποτέλεσμα θα μπορούσε να είναι μια πτώση στη φωτεινότητα του φόντου σε ένα στενό εύρος μήκους κύματος που δεν διακρίνεται από ένα πραγματικό κοσμικό σήμα αυγής.
Η ομάδα SARAS υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση στο σχεδιασμό της κεραίας επιδιώκοντας πιο ομοιόμορφη ευαισθησία σε όλα τα μήκη κύματος. «Ολόκληρη η φιλοσοφία του σχεδιασμού είναι να διατηρηθεί αυτή η φασματική ομαλότητα», δήλωσε ο Saurabh Singh, ο κύριος συγγραφέας της εφημερίδας SARAS. Η κεραία - ένας κώνος αλουμινίου που στηρίζεται σε μια σχεδία από φελιζόλ - επιπλέει στη μέση μιας ήρεμης λίμνης για να διασφαλίσει ότι δεν θα υπάρχουν αντανακλάσεις για περισσότερα από 100 μέτρα σε οποιαδήποτε οριζόντια κατεύθυνση, κάτι που ο Parsons αποκάλεσε «μια πραγματικά δροσερή και καινοτόμο προσέγγιση». Επιπλέον, η αργή ταχύτητα του φωτός στο νερό μείωσε την επίδραση των αντανακλάσεων από τον πυθμένα της λίμνης και η ομοιόμορφη πυκνότητα του νερού έκανε το περιβάλλον πολύ πιο εύκολο στη μοντελοποίηση.
Στο τέλος, η ομάδα SARAS μέτρησε ένα ομαλό φάσμα γύρω στα μήκη κύματος 4 μέτρων, χωρίς κανένα σημάδι της βαθιάς βύθισης που παρατηρήθηκε από το EDGES. (Απομένει να καθοριστεί εάν υπάρχει κάποια πτώση. Ο Parsons τονίζει ότι η ομάδα SARAS θα χρειαστεί να κάνει περισσότερη δουλειά για να κατανοήσει τις λεπτές λεπτομέρειες της δικής της μέτρησης.)
Η H. Cynthia Chiang, αστρονόμος ραδιοφώνου στο Πανεπιστήμιο McGill στο Μόντρεαλ που δεν συμμετείχε σε κανένα πείραμα, λέει ότι τόσο το EDGES όσο και το SARAS ήταν εξαιρετικά λεπτομερείς στις διαδικασίες βαθμονόμησης και ανάλυσης και ότι είναι πολύ νωρίς για να πούμε ποιο αποτέλεσμα είναι σωστό. «Το επίπεδο της διαφωνίας είναι αρκετό για να κάνει τους ανθρώπους να νιώθουν άβολα, αλλά νομίζω ότι απέχει πολύ από το τέλος της ιστορίας», είπε. «Από τη δική μου οπτική γωνία, προσθέτει στον ενθουσιασμό». Οδηγεί ένα άλλο επόμενο πείραμα που ονομάζεται PRIZM, το οποίο θα λειτουργεί σε ένα μικρό νησί 1.000 χιλιόμετρα έξω από το νότιο άκρο της Νότιας Αφρικής, όπου οι επίγειες ραδιοφωνικές παρεμβολές - η κύρια πρόκληση για το SARAS - είναι σχεδόν εντελώς απούσα.
Ο Parsons αναμένει ότι το μηδενικό αποτέλεσμα SARAS θα αντέξει. Εάν ναι, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι το σήμα της κοσμικής αυγής είναι απλώς πολύ αχνό για να το διακρίνουν τα τρέχοντα όργανα. "Αλλά δεν νομίζω ότι αυτό θα πρέπει να αφαιρέσει από την τεράστια ποσότητα καινοτομίας που είχε [EDGES] για να προωθήσει αυτόν τον τομέα προς τα εμπρός", είπε.
