Wielki Wybuch mógł być jasny i dramatyczny, ale zaraz potem wszechświat pociemniał i na bardzo długi czas. Naukowcy uważają, że pierwsze gwiazdy pojawiły się w błotnistym bulionie materii 200 milionów lat po gorącym starcie. Ponieważ współczesne teleskopy nie są wystarczająco czułe, aby bezpośrednio obserwować światło tych gwiazd, astronomowie szukają pośrednich dowodów na ich istnienie.
W ten sposób zespołowi naukowców udało się odebrać słaby sygnał z tych gwiazd za pomocą anteny radiowej wielkości stołu o nazwie EDGES. Spektakularne pomiary, które otwierają nowe okno na wczesny Wszechświat, pokazują, że gwiazdy te pojawiły się 180 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Praca opublikowana w Nature sugeruje również, że naukowcy mogą przemyśleć, z czego składa się „ciemna materia” - tajemniczy rodzaj niewidzialnej substancji.
Modele pokazały, że pierwsze gwiazdy oświetlające wszechświat były niebieskie i krótkotrwałe. Zanurzyli wszechświat w kąpieli światła ultrafioletowego. Pierwszy możliwy do zaobserwowania sygnał tego kosmicznego świtu od dawna był uważany za „sygnał absorpcyjny” - spadek jasności przy określonej długości fali - spowodowany przejściem światła i wpływający na właściwości fizyczne chmur wodoru, najliczniej występującego we wszechświecie pierwiastka.
Wiemy, że spadek ten powinien zostać wykryty w części fal radiowych widma elektromagnetycznego przy długości fali 21 cm.
Kompleksowy pomiar
Film promocyjny:
Na początku istniała teoria, która to wszystko przewidywała. Ale w praktyce znalezienie takiego sygnału jest niezwykle trudne. Dzieje się tak, ponieważ przeplata się z wieloma innymi sygnałami w tym obszarze widma, które są znacznie silniejsze - na przykład z typowymi częstotliwościami transmisji radiowych i falami radiowymi z innych wydarzeń w naszej galaktyce. Powodem sukcesu naukowców był częściowo fakt, że eksperyment był wyposażony w czuły odbiornik i małą antenę, co umożliwiło stosunkowo łatwe pokrycie dużego obszaru nieba.
Aby upewnić się, że każdy spadek jasności, jaki znaleźli, był spowodowany światłem gwiazd wczesnego Wszechświata, naukowcy przyjrzeli się przesunięciu Dopplera. Znasz ten efekt poprzez obniżenie wysokości tonu, gdy przejeżdża samochód z migającym światłem i syreną. Podobnie, gdy galaktyki oddalają się od nas z powodu rozszerzania się Wszechświata, światło przesuwa się w kierunku fal o czerwonych długościach. Astronomowie nazywają ten efekt „przesunięciem ku czerwieni”.
Przesunięcie ku czerwieni mówi naukowcom, jak daleko od Ziemi znajduje się chmura gazu i jak dawno temu, według kosmicznych standardów, wyemitowano z niej światło. W tym przypadku każda zmiana jasności spodziewana przy długości fali 21 cm będzie wskazywać na ruch gazu i odległość. Naukowcy zmierzyli spadek jasności, który miał miejsce w różnych kosmicznych okresach czasu, aż do momentu, gdy Wszechświat miał zaledwie 180 milionów lat, i porównali go ze stanem obecnym. To było światło pierwszych gwiazd.
Witaj ciemna materio
Na tym historia się nie kończy. Naukowcy byli zaskoczeni, gdy odkryli, że amplituda sygnału była dwukrotnie większa niż przewidywano. Sugeruje to, że wodór był znacznie chłodniejszy niż oczekiwano na podstawie mikrofalowego tła.
Wyniki te zostały opublikowane w innym artykule w Nature i rzuciły haczyk na przynętę fizykom teoretycznym. Dzieje się tak, ponieważ z fizyki jasno wynika, że w tym czasie istnienia Wszechświata gaz był łatwy do ogrzania, ale trudny do ochłodzenia. Aby wyjaśnić dodatkowe chłodzenie związane z sygnałem, gaz musiał wchodzić w interakcje z czymś jeszcze zimniejszym. Jedyną rzeczą zimniejszą od gazu kosmicznego we wczesnym Wszechświecie była ciemna materia. Teoretycy muszą teraz zdecydować, czy mogą rozszerzyć standardowy model kosmologii i fizyki cząstek, aby wyjaśnić to zjawisko.
Wiemy, że ciemnej materii jest pięć razy więcej niż zwykłej materii, ale nie wiemy, z czego jest zrobiona. Zaproponowano kilka wariantów cząstek, które mogą tworzyć ciemną materię, a ulubioną spośród nich jest słabo oddziałująca masywna cząstka (WIMP).
Nowe badanie sugeruje jednak, że cząstka ciemnej materii nie powinna być dużo cięższa od protonu (który wchodzi do jądra atomowego wraz z neutronem). To znacznie poniżej mas przewidywanych dla WIMP. Analiza sugeruje również, że ciemna materia jest zimniejsza niż oczekiwano i otwiera fascynującą możliwość wykorzystania „kosmologii 21 cm” jako sondy do badania ciemnej materii we Wszechświecie. Dalsze odkrycia z bardziej czułymi odbiornikami i mniejszymi zakłóceniami ze strony naziemnego radia mogą ujawnić więcej szczegółów na temat natury ciemnej materii, a być może nawet wskazać prędkość, z jaką się porusza.
Ilya Khel