Astronomowie po raz pierwszy wykryli długo poszukiwany sygnał pochodzący od pierwszych gwiazd, które powstały we Wszechświecie - około 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Zarejestrowane sygnały, to jak odcisk palca pozostawiony na promieniowaniu tła przez wodór pochłaniający część tego pierwotnego światła. Dowody wskazują, że gaz, który tworzył wczesny Wszechświat, był zimniejszy niż przewidywano. Jak twierdzą fizycy, jest to możliwy znak wpływu ciemnej materii. Jeśli odkrycie zostanie potwierdzone, będzie to oznaczać, że ciemna materia została po raz pierwszy zaobserwowana inaczej niż przez jej efekty grawitacyjne.
- Po raz pierwszy dostrzegliśmy jakikolwiek sygnał z okresu wczesnego Wszechświata, poza poświatą Wielkiego Wybuchu – powiedział Judd Bowman, astronom z Arizona State University w Tempe kierujący badaniami, których wyniki ukazały się w „Nature”.
- Jeśli to prawda, to jest to nie zwykle ważna informacja - przyznał Saleem Zaroubi, kosmolog z Uniwersytetu w Groningen w Holandii. Dodał, że inne zespoły naukowców będą musiały potwierdzić badania zespołu Bowmana, ale jak dotąd, rezultaty prac wydają się być solidne. - To bardzo ekscytujące rzeczy. To okres w historii Wszechświata, o którym właściwie nic nie wiemy – wyjaśnił.
Zgodnie z obecnie obowiązującą teorią, Wielki Wybuch miał miejsce około 13,8 miliarda lat temu i wygenerował zjonizowaną plazmę, która szybko schładzała się wraz z rozszerzaniem się Wszechświata. Po około 370 000 lat ta „zupa” zaczęła tworzyć neutralne atomy wodoru. Z czasem, pod wpływem grawitacji, atomy te łączyły się razem tworząc gwiazdy. Ta przemiana znana jest jako “kosmiczny świt”.
Według założeń, światło z tych gwiazd byłoby teraz tak słabe, że wykrycie go za pomocą teleskopów naziemnych mogłoby być niemożliwe. Ale astronomowie mieli nadzieję, że zobaczą to pośrednio: światło to subtelnie zmieniłoby zachowanie wodoru, który kiedyś wypełniał przestrzeń między gwiazdami. Ta zmiana pozwoliłaby na pochłonięcie przez wodór mikrofalowego promieniowania tła - poświaty po Wielkim Wybuchu - na charakterystycznej długości fal radiowych.
Do wykrycia tego sygnału astronomowie posłużyli się radioteleskopem EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature). Ponieważ nasza własna galaktyka i wytwarzany przez człowieka szum generują fale w tym samym paśmie, co sygnał, zaobserwowanie sygnału było trudne i oznaczało ostrożne odfiltrowanie mocniejszych źródeł. Ale Bowmanowi i jego współpracownikom to się udało. Znaleźli przewidywany sygnał na podstawie oczekiwanej częstotliwości. Pomimo niewielkiego spadku promieniowania o 0,1 proc., był on dwukrotnie większy niż przewidywano.
Bowman zdawał sobie sprawę z wagi odkrycia. Wraz z zespołem przez dwa lata sprawdzał, czy sygnał nie pochodzi z innego źródła, nie jest wywołany przez instrumenty obserwacyjne czy nie jest efektem szumu. Zbudowali nawet drugą antenę i wskazywali swoje instrumenty na różne obszary nieba w różnych momentach.
- Po dwóch latach przeprowadziliśmy wszystkie te testy i nie mogliśmy znaleźć żadnego alternatywnego wyjaśnienia. W tym momencie zaczęliśmy odczuwać podekscytowanie – powiedział Bowman.
Promieniowanie z tego okresu zostaje rozciągnięte przez ekspansję Wszechświata, co oznacza, że pasmo, w którym znaleziono sygnał, oddaje jego wiek. Pozwoliło to zespołowi na nowo oszacować początek „kosmicznego świtu” do 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Bardziej energetyczne promienie X pochodzące z agonii pierwszych gwiazd podniosło temperaturę gazu i zagłuszyło sygnał. Zespół Bowmana oszacował ten okres na około 250 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zrozumienie tych pierwotnych gwiazd jest ważne nie tylko dlatego, że kształtowały one materię wokół nich, ale także dlatego, że ich wybuchowa śmierć stworzyła „zupę” cięższych pierwiastków, z których powstały później gwiazdy innego typu. - Jeśli naprawdę chcemy zrozumieć nasze kosmiczne pochodzenie, to jest to bardzo ważny krok w tym kierunku – zaznaczył Bowman.
- Podczas gdy sygnał pojawił się na oczekiwanej częstotliwości, jego siła była całkowicie nieoczekiwana. Byłem naprawdę zaskoczony – powiedział Rennan Barkana, kosmolog z Uniwersytetu w Tel Awiwie, który opublikował w „Nature” wyniki swoich badań powiązanych z odkryciem Bowmana.
Według Barkana, siła sygnału sugeruje, że albo było więcej promieniowania niż oczekiwano podczas „kosmicznego świtu”, albo gaz był zimniejszy, niż przewidywano. - Oba te scenariusze będą bardzo dziwne i nieoczekiwane – przyznał. Jedynym wyjaśnieniem, które ma dla nie go sens, jest to, że gaz został przez coś ochłodzony. To wskazuje na ciemną materię.
- Wyniki sugerują również, że ciemna materia powinna być lżejsza niż wynika z dominującej teorii - stwierdził Barkana. To może pomóc wyjaśnić, dlaczego fizycy nie zaobserwowali bezpośrednio ciemnej materii w eksperymentach przeprowadzanych prze dziesięciolecia.
Na razie sygnał pochodzący z „kosmicznego świtu” jest niepewny. Ale trwają usilne doświadczenia, by go potwierdzić.
Źródło: Nature, Science, fot. National Science Foundation
