Iso räjähdys on saattanut olla kirkas ja dramaattinen, mutta heti sen jälkeen maailmankaikkeus pimensi ja hyvin kauan. Tutkijat uskovat, että ensimmäiset tähdet ilmestyivät aineen mutaiseen liemeen 200 miljoonaa vuotta kuumakäynnistyksen jälkeen. Koska modernit kaukoputket eivät ole tarpeeksi herkkiä tarkkailemaan näiden tähtien valoa suoraan, tähtitieteilijät etsivät epäsuoria todisteita niiden olemassaolosta.
Joten tutkijaryhmä onnistui noutamaan heikon signaalin näistä tähdistä käyttämällä pöydän kokoista radioantennia nimeltä EDGES. Upeat mittaukset, jotka avaavat uuden ikkunan varhaisuniversumiin, osoittavat, että nämä tähdet ilmestyivät 180 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Nature-lehdessä julkaistu työ viittaa myös siihen, että tutkijat voivat miettiä uudelleen, mistä "pimeä aine" - salaperäinen näkymätön aine - koostuu.
Mallit osoittivat, että ensimmäiset tähdet, jotka valaisivat maailmankaikkeutta, olivat sinisiä ja lyhytaikaisia. He upottivat maailmankaikkeuden ultraviolettikylpyyn. Ensimmäisen havaittavan signaalin tästä kosmisesta aamunkoitteesta on pitkään pidetty "absorptiosignaalina" - kirkkauden pudotuksena tietyllä aallonpituudella - joka johtuu valon kulusta ja vaikuttaa vetykaasupilvien fyysisiin ominaisuuksiin, maailmankaikkeuden runsaimpaan elementtiin.
Tiedämme, että tämä pudotus tulisi havaita sähkömagneettisen spektrin radioaaltojen osassa aallonpituudella 21 cm.
Monimutkainen mittaus
Mainosvideo:
Alussa oli teoria, joka ennusti kaiken tämän. Mutta käytännössä tällaisen signaalin löytäminen on erittäin vaikeaa. Tämä johtuu siitä, että se kietoutuu yhteen monien muiden signaalien kanssa tällä spektrin alueella, jotka ovat paljon voimakkaampia - esimerkiksi radiolähetysten ja muiden galaksimme tapahtumien radioaaltojen yhteiset taajuudet. Syy tutkijoiden onnistumiseen johtui osittain siitä, että koe oli varustettu herkällä vastaanottimella ja pienellä antennilla, jolloin se pystyi peittämään suuren taivaan alueen suhteellisen helposti.
Varmistaakseen, että heidän havaitsemansa kirkkauden lasku johtui varhaisen maailmankaikkeuden tähtivalosta, tutkijat tarkastelivat Doppler-muutosta. Tunnet tämän vaikutuksen alentamalla äänenvoimakkuutta, kun vilkkujan ja sireenin oma auto ohittaa ohi. Samoin kun galaksit siirtyvät pois meistä maailmankaikkeuden laajenemisen vuoksi, valo siirtyy kohti punaisia aallonpituuksia. Tähtitieteilijät kutsuvat tätä vaikutusta "punasiirtymäksi".
Punainen siirtymä kertoo tutkijoille, kuinka kaukana kaasupilvi on maasta ja kuinka kauan sitten kosmisilla mittareilla siitä lähti valoa. Tässä tapauksessa mikä tahansa odotettavissa oleva kirkkauden muutos 21 cm: n aallonpituudella osoittaa kaasun liikkeen ja etäisyyden. Tutkijat mittaivat kirkkauden pudotuksen, joka tapahtui eri kosmisilla ajanjaksoilla siihen hetkeen saakka, jolloin maailmankaikkeus oli vain 180 miljoonaa vuotta vanha, ja verrattiin sitä nykyiseen tilaansa. Se oli ensimmäisten tähtien valo.
Hei pimeä aine
Tarina ei pääty tähän. Tutkijat hämmästyivät huomatessaan, että signaalin amplitudi oli kaksi kertaa niin suuri kuin ennustettiin. Tämä viittaa siihen, että vetykaasu oli paljon kylmempi kuin mikroaaltotaustasta odotettiin.
Nämä tulokset julkaistiin toisessa Nature-artikkelissa ja heittivät syötin koukun teoreettisille fyysikoille. Tämä johtuu siitä, että fysiikasta käy selväksi, että maailmankaikkeuden olemassaolon aikana kaasua oli helppo lämmittää, mutta sitä oli vaikea jäähdyttää. Selittääkseen signaaliin liittyvän lisäjäähdytyksen, kaasun täytyi olla vuorovaikutuksessa vielä kylmemmän kanssa. Ja ainoa asia, joka oli varhaisessa maailmankaikkeudessa kylmempi kuin kosminen kaasu, oli pimeä aine. Teoreetikkojen on nyt päätettävä, voivatko ne laajentaa kosmologian ja hiukkasfysiikan standardimallia selittääkseen tätä ilmiötä.
Tiedämme, että pimeää ainetta on viisi kertaa enemmän kuin tavallista ainetta, mutta emme tiedä mistä se koostuu. On ehdotettu useita variantteja hiukkasista, jotka voivat muodostaa tumman aineen, ja suosikki niiden joukossa on heikosti vuorovaikutuksessa oleva massiivinen hiukkanen (WIMP).
Uusi tutkimus viittaa kuitenkin siihen, että pimeän aineen hiukkasen ei pitäisi olla paljon painavampi kuin protoni (joka tulee atomiatumiin yhdessä neutronin kanssa). Tämä on selvästi alle WIMP: lle ennustetun massan. Analyysi viittaa myös siihen, että pimeä aine on odotettua kylmempi ja avaa kiehtovan mahdollisuuden käyttää "21 cm: n kosmologiaa" pimeän aineen koettimena maailmankaikkeudessa. Lisähavainnot, joissa on herkempiä vastaanottimia ja vähemmän maanpäällisen radion häiriöitä, voivat paljastaa enemmän yksityiskohtia pimeän aineen luonteesta ja ehkä jopa osoittaa sen liikkumisnopeuden.
Ilya Khel