(NRFuller/National Science Foundation) De Oerknal was misschien helder en dramatisch, maar onmiddellijk nadat het gebeurde, kreeg het heelal een extreem donker voor een lange tijd .
Wetenschappers geloven zelfs dat het tot 200 miljoen jaar duurde voordat de eerste sterren uit een obscure soep van materie tevoorschijn kwamen.
Omdat de huidige telescopen niet gevoelig genoeg zijn om het licht van deze sterren rechtstreeks waar te nemen, zijn astronomen in plaats daarvan op zoek gegaan naar indirect bewijs van hun bestaan.
Nu is een team van wetenschappers erin geslaagd om een zwak signaal van deze sterren op te vangen met een radioantenne ter grootte van een tafelblad, genaamd RANDEN .
De indrukwekkende meting, die een nieuw venster op het vroege heelal opent, laat zien dat deze sterren ongeveer 180 miljoen jaar na de oerknal zijn ontstaan.
De bevindingen, gepubliceerd in Natuur , suggereert ook dat wetenschappers misschien moeten heroverwegen wat ' donkere materie ' - een mysterieus soort onzichtbare materie - is gemaakt van .
Modellen hebben aangetoond dat de eerste sterren die het heelal verlichtten, blauw en van korte duur zouden zijn geweest en een bad van ultraviolet licht zouden produceren.
Het vroegst waarneembare signaal van deze kosmische dageraad is lang gedacht dat het een 'absorptiesignaal' is - een daling in helderheid bij een bepaalde golflengte - veroorzaakt door dit licht dat er doorheen gaat en de fysieke eigenschappen van wolken waterstofgas beïnvloedt, wat het meest overvloedig element in het heelal.
(CSIRO)
We weten dat deze dip moet worden gevonden in het radiogolfgedeelte van de elektromagnetisch spectrum , bij een golflengte van 21 centimeter (8,2 inch).
Uitdagende meting
Dit was allemaal voorspeld door de theorie.
Maar in de praktijk is het signaal buitengewoon moeilijk te vinden.
Dit komt omdat het overlapt met veel andere signalen in dit deel van het spectrum die veel sterker zijn - zoals gewone frequenties op de FM-radio en radiogolven van andere gebeurtenissen in onze melkweg.
De reden dat het team uiteindelijk slaagde, was deels te wijten aan de gevoelige ontvanger en kleine antenne van het experiment, waarmee je gemakkelijker een groot deel van de lucht kunt bestrijken.
Om er zeker van te zijn dat elke daling in helderheid die ze vonden afkomstig was van sterlicht in het vroege heelal, keek het team naar een effect dat bekend staat als de Doppler shift - u zult dit ervaren hebben als een verlaging van de toonhoogte wanneer een sirene met hoge snelheid voorbij komt.
Evenzo, aangezien alle sterrenstelsels zich van ons terugtrekken als gevolg van de uitdijing van het heelal, wordt het licht verschoven naar rodere golflengten. Astronomen noemen dit effect 'roodverschuiving'.
(NRFuller/National Science Foundation)
Roodverschuiving vertelt wetenschappers hoe ver een bepaalde gaswolk van de aarde verwijderd is en hoe ver terug in de kosmische tijd het licht ervan werd uitgestraald.
In dit geval zou elke verschuiving in de helderheidsdip die wordt verwacht bij een golflengte van 21 centimeter een indicatie geven van hoe het gas zich voortbeweegt en hoe ver het verwijderd is.
Het team mat een dip die een reeks tijden in de kosmos besloeg - het meest dramatisch terug naar toen het heelal zelf slechts 180 miljoen jaar oud was, vergeleken met zijn grote leeftijd van 13,9 miljard jaar. Dit was het licht van de allereerste sterren.
Donkere materie twist
Het verhaal eindigt daar niet. Het team was verrast om te ontdekken dat de amplitude van het signaal meer dan twee keer zo groot was als voorspeld. Dit suggereert dat het waterstofgas veel kouder was dan verwacht van de achtergrondstraling.
Deze bevindingen, gepubliceerd in een ander artikel in Natuur , hebben roet in het eten gegooid van de theoretisch fysici.
Dit komt omdat de fysica suggereert dat het op dit moment in het heelal gemakkelijk zou zijn geweest om gas te verwarmen, maar moeilijk om het af te koelen.
Om de extra koeling te produceren die nodig is om het signaal te verklaren, stellen de auteurs, moet het gas een interactie hebben gehad met iets dat nog kouder is. En het enige dat in het vroege heelal kouder is dan dit kosmische gas, is donkere materie.
In feite moeten theoretici nu beslissen of ze de standaard model van kosmologie en deeltjesfysica om dit effect te verklaren.
We weten dat donkere materie vijf keer vaker voorkomt dan normale materie, maar we weten nog niet waar het van gemaakt is.
Verschillende opties voor deeltjes waaruit donkere materie kan bestaan is voorgesteld , met als favoriete kandidaat het Weakly Interacting Massive Particle (WIMP).
Het nieuwe onderzoek suggereert echter dat het donkere-materiedeeltje niet veel zwaarder zou zijn dan een proton (dat samen met het neutron de atoomkern vormt). Dit is ruim onder de voor de WIMP voorspelde massa's.
De analyse suggereert ook dat de donkere materie kouder is dan verwacht, en opent de opwindende mogelijkheid om '21 centimeter kosmologie' te gebruiken als een nieuwe sonde van donkere materie in het heelal.
Verdere ontdekkingen met gevoeligere ontvangers en minder complicaties door terrestrische radio-interferentie - die kunnen worden bereikt door het plaatsen van een interferometer aan de donkere kant van de maan - zou meer details kunnen onthullen over de aard van donkere materie, misschien zelfs de snelheid waarmee het beweegt.
Dit komt op een geschikt moment voor radioastronomen, die in Australië en Zuid-Afrika de volgende generatie gigantische netwerken van radiotelescopen of interferometers ontwikkelen, de zogenaamde Vierkante kilometer array evenals andere geavanceerde experimenten gewijd aan studeren de kosmische dageraad .
Het is een spannende tijd om wetenschapper te zijn.
Carole Mundell , Hoofd Natuurkunde, Universiteit van Bath .
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door Het gesprek . Lees de origineel artikel .