Astronomer har upptäckt en kosmisk relik från tidens början som avslöjar när de första stjärnorna fick liv. Genom att göra så, de kan ha avslöjat en lockande ledtråd om hur mörk materia påverkade vårt tidiga universum.

Innan vi dyker in i vad denna relik är, vi måste resa tillbaka till en tid strax efter Big Bang, som inträffade för 13,8 miljarder år sedan. Då, universum var en virvlande het röra av plasma, en tät samling högladda (eller joniserade) partiklar. När plasman svalnade och universum expanderade, neutralt väte (den mest grundläggande atomen som består av en proton och en elektron) började bilda ungefär 370, 000 år efter att vårt universum fick liv. Så småningom, denna neutrala vätgas klumpade ihop sig under tyngdkraften, utlöser bildandet av de första stjärnorna som utbröt med kraftfulla röntgenstrålar.

Exakt när "kosmisk gryning" inträffade, dock, har varit öppen för debatt. Det hände så länge sedan, och det första ljuset från de gamla babystjärnorna är alldeles för svagt för att ens det mest avancerade observatoriet ska kunna upptäcka.

En radioantenn i kylskåp i västra Australien har dock hjälpt till att lösa debatten. Det är en del av experimentet för att upptäcka den globala epoken av rejoniseringssignatur, eller KANTAR. I deras kosmiska gryningsuppdrag, projektets forskare har haft fullt upp med att undersöka en annan källa till gammal strålning som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB. Kallas ofta Big Bangs efterglöd, denna strålning fyller universum och burk upptäckas, så det är praktiskt att undersöka den tidigaste epoken av vårt universums existens.

Den viktigaste signalen:Ett dopp i tiden

Låt oss gå tillbaka till de första dagarna i universum. När CMB -fotonerna färdades genom det interstellära neutrala vätet runt den tid då de första stjärnorna vaknade till liv, ett fingeravtryck av stjärnfödelse var inbäddat i dessa fotoner. Miljarder år senare, astronomer har just sett dess signal - ett talande "dopp" vid en specifik frekvens.

"Det här är första gången vi har sett någon signal från detta tidigt i universum, bortsett från efterglödet av Big Bang, "sa astronomen Judd Bowman till Nature. Bowman, som arbetar vid Arizona State University i Tempe, ledde studien som publicerades i tidskriften Nature den 28 februari.

Att hitta denna signal var ingen lätt uppgift. Forskarna tillbringade två år med att bekräfta och bekräfta sina resultat, försöker avgöra om signalen verkligen var ett fönster till kosmisk gryning eller olyckligt ljud från vår galax. De fick till och med noggrant utesluta radiostörningar från mänsklig aktivitet på och nära jorden.

"Efter två år, vi klarade alla dessa tester, och kunde inte hitta någon alternativ förklaring, "Bowman förmedlade till naturen." Vid den tiden, vi började känna spänning. "

Den där viktiga signalen var ett dopp i CMB:s energi vid en frekvens av 78 megahertz. Här är varför:Den kraftfulla röntgenstrålningen från de tidigaste stjärnorna förändrade beteendet hos den neutrala vätgasen i interstellära rymden. Genom att göra så, när CMB -fotonerna färdades genom denna vätgas, det absorberade en viss frekvens - så snarare än att leta efter ett specifikt utsläpp, astronomer har letat efter en specifik typ av absorption, eller en viss frekvens av CMB -strålning som saknades. Detta dopp kunde bara ha orsakats av de första röntgenutbrotten av de tidigaste stjärnorna.

När universum expanderar, över tid, detta absorptionsband har blivit sträckt. Så, genom att exakt mäta hur töjt detta dopp har blivit, forskarna kunde beräkna hur gammalt det är. Med all denna kunskap i handen, de kunde räkna ut att de första stjärnorna föddes tidigast 180 miljoner år efter Big Bang. Men det är inte allt. Forskarna kunde registrera den exakta tiden när signalen växlades av .

De första stjärnorna levde hårda och snabba liv, brinner starkt och dör snabbt som supernovor. Denna massdödning genererade mycket energiska röntgenstrålar, höja temperaturen på det omgivande neutrala vätet, avbryter dess karakteristiska CMB -absorptionsfrekvens. Detta hände cirka 250 miljoner år efter Big Bang. I själva verket, denna forskning har öppnat ett fönster till kosmisk gryning, en som började 180 miljoner år efter att vårt universum föddes och slutade 70 miljoner år senare - en period som representerar de första stjärnornas korta tid.

Denna kosmiska arkeologiska grävning kan revolutionera vår syn på de tidigaste epokerna i vårt universum. Dessa första stjärnor var fabrikerna som slog ut de första tunga elementen, såda vårt universum med element som skulle fortsätta att berika senare populationer av stjärnor, producerar tyngre och tyngre element som så småningom bildade det stora menageriet av stjärnföremål, planeter och, i sista hand, liv. Så, att se denna viktiga tid är att skymta de första embryonala stadierna i vårt universums olika kemi.

"Om vi ​​verkligen vill förstå vår kosmiska stege, detta är ett viktigt steg för att förstå, "tillade Bowman.

The Matter of Dark Matter

Detta verk verkar ha snubblat på något annat, för.

I en annan Nature -studie baserad på denna CMB -signal, en annan forskargrupp konstaterar att nedgången på 78 megahertz också är anmärkningsvärd för hur dramatisk den är. Även om det bara representerar ett energidipp på 0,1 procent, det doppet är dubbelt så kraftfullt som teorin förutsäger. Detta kan innebära att det var mer strålning än förutsagt vid kosmisk gryning, eller att det neutrala vätet kyldes av något . Om det senare visar sig vara korrekt, att "något" kan vara mörk materia.

Som vi alla vet, mörk materia teoretiseras för att förkroppsligar det mesta av massan i universum. Genom indirekta mätningar, astronomer vet att det finns där ute, men de kan bara inte "se" det. Det interagerar så svagt att vi bara kan upptäcka dess tyngdkraft. Men djupet av detta CMB -dopp kan vara en signal från effekterna av mörk materia vid den tidpunkt då de första stjärnorna dök upp, tillbaka när mörk materia teoretiseras för att vara kall.

Om detta visar sig vara fallet, saker har bara blivit ännu mer spännande:Om djupet i detta dopp förstärks av kall mörk materia, det betyder att partiklarna är mindre än nuvarande modeller av mörk materia förutsäger. Med andra ord, denna forskning kan förfina sökandet efter mörk materia och förklara varför fysiker ännu inte har kommit fram till vad det är.

"Om den tanken bekräftas, då har vi lärt oss något nytt och fundamentalt om den mystiska mörka materien som utgör 85 procent av materia i universum, "tillade Bowman i ett uttalande." Detta skulle ge den första glimten av fysik utöver standardmodellen. "

Detta är utan tvekan viktiga upptäckter och kan revolutionera vår syn på kosmos, men forskarna påpekar att detta bara är början på många års fokuserad forskning. Mot bakgrund av dip -upptäckten, andra observatorier omställs för att studera denna intressanta frekvens, till exempel projektet Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) som ligger i Sydafrikas Karoo -öken. European Low-Frequency Array (LOFAR) -projektet syftar till att gå ett steg längre och kartlägga signalen för att se hur den varierar över himlen. Om mörk materia förstärker denna signal, astronomer borde se ett tydligt mönster.

Även om det finns en bit kvar innan alla dessa bevis ger en revolutionerande upptäckt, det är spännande att tänka på att astronomer inte bara har öppnat ett fönster in i kosmisk gryning; de kan ha öppnat ett fönster till ursprunget till mörk materia, för.

Hastigheten på universums expansion, känd som Hubble -konstanten efter astronomen Edwin Hubble, har varierat under decennierna sedan den först funderades. Den aktuella hastigheten antas vara 73 kilometer per sekund per megaparsek. En megaparsek motsvarar cirka 3,3 miljoner ljusår.