Epocha reionizace: Astronomové se blíží signálu z „jednoho z nejvíce neprobádaných období v našem vesmíru“
Dlouho předtím, než vesmír poprvé zaplnilo světlo hvězd, mohl podle nové studie mladý vesmír vařit.
Zjištění naznačují, že asi 800 milionů let po Velkém třesku energie z nově zrozených černých děr a slábnoucích uhlíků prvních hvězd již ohřívala obrovská mračna mezigalaktického plynného vodíku a nabízela tak vzácný pohled do převážně nezmapované kapitoly mládí vesmíru.
Astronomové vědí, že vesmír začal v extrémně horkém a hustém stavu Velký třeskasi před 13,8 miliardami let a poté se rychle ochladila, jak expandovala. Zhruba o 400 000 let později teploty klesly natolik, že se protony a elektrony spojily do neutrálních atomů vodíku a vesmír vklouzl do „kosmický temný věk“ — dlouhý úsek bez světla, kdy byl prostor zahalen hustou mlhou plynného vodíku.
Ozvěny vesmíru
Protože přímé pozorování prvních hvězd ve vesmíru není možné – byly příliš slabé, příliš krátké a příliš vzdálené na to, aby je detekovaly i ty nejvýkonnější dalekohledy – astronomové místo toho hledají jemné otisky prstů, které tyto hvězdy zanechaly v plynném vodíku, který je obklopoval.
V nové studii Nunhokee a její tým analyzovali data za téměř deset let z Murchison Widefield Array, výkonného radioteleskopu umístěného v odlehlé západní australské poušti, aby hledali slabý rádiový „šepot“ tohoto starověkého vodíku.
Signál vzniká, když jediný proton a elektron atomu vodíku překlopí své rotace vůči sobě navzájem – nepatrná změna, která změní energii atomu a způsobí, že emituje nebo absorbuje foton na určité vlnové délce. Astronomové pátrají po slabé rádiové ozvěně tohoto přechodu, která se objevuje na vlnové délce 21 centimetrů – nebo, podle našich přístrojů, na frekvenci asi 1,42 gigahertzu. Protože je síla signálu ovlivněna teplotou a prostředím okolního plynného vodíku, chová se jako kosmický teploměr a odhaluje, jak první hvězdy a černé díry začaly ovlivňovat raný vesmír.
Detekce tohoto prastarého signálu je však mimořádně obtížná. Je pohřben pod vrstvami mnohem silnějšího rádiového šumu Mléčná dráhadalší blízké galaxie, zemskou atmosféru a dokonce i samotný dalekohled. Aby to tým odhalil, vyvinul novou techniku statistického filtrování, aby odstranil tyto signály v popředí a izoloval nejpravděpodobnější emise z plynného vodíku datované zhruba 800 milionů let po velkém třesku.
Tento nový přístup vytvořil dosud nejčistší rádiovou mapu raného vesmíru a stanovil dosud nejpřísnější limity pro sílu 21centimetrového signálu, poznamenal tým ve studii.
Navzdory tomu, že se soustředil na to, co Nunhokee popsal jako „druh studeného místa, kde máme jen několik zdrojů“, a použil „nejlepší data, která máme“, tým nenašel žádný důkaz pro výmluvný signál. „Protože je to velmi slabé, je to velmi těžké,“ řekla.
Po vyčištění dat výzkumníci neviděli výrazný podpis, který by naznačoval „studený start“ reionizace. Tato vlastnost by byla v jejich datech viditelná, kdyby vesmír asi 800 milionů let po Velkém třesku zůstal chladný až do vzplanutí prvních hvězd, takže výsledek naznačoval, že vesmír je podle studie teplejší, než se očekávalo.
„Jak se vesmír vyvíjel, plyn mezi galaxiemi se rozpíná a ochlazuje, takže bychom očekávali, že bude velmi, velmi chladný,“ hlavní autor studie Cathryn Trottprofesor Curtinova institutu radioastronomie, řekl v a prohlášení. „Naše měření ukazují, že je alespoň o určité množství zahřátý. Ne o mnoho, ale říká nám, že velmi studená reionizace je vyloučena – to je opravdu zajímavé.“
Kosmologické modely ukazují na rentgenové záření raných černých děr a zbytky hmotných hvězd jako pravděpodobné viníky zahřívání mezigalaktického plynu dlouho předtím, než viditelné světlo hvězd zaplnilo vesmír, řekl Nunhokee.
Nová technika týmového čištění dat také pokládá zásadní základy pro nadcházející pole Square Kilometer Array (SKA). Vědci tvrdí, že tento radioteleskop nové generace, který je nyní ve výstavbě v Austrálii a Jižní Africe, bude mít citlivost na přímou detekci nepolapitelného 21centimetrového signálu.
„Víme, co hledáme,“ řekl Nunhokee. „Potřebujeme jen několik hodin dat (SKA), která nám umožní přejít na úrovně, které chceme.“
