Länge sedan, ca 400, 000 år efter universums början (Big Bang), universum var mörkt. Det fanns inga stjärnor eller galaxer, och universum fylldes i första hand med neutral vätgas.

Sedan, för de kommande 50-100 miljoner åren, gravitationen drog långsamt ihop de tätaste områdena av gas tills gasen slutligen kollapsade på vissa ställen och bildade de första stjärnorna.

Hur var de första stjärnorna och när bildades de? Hur påverkade de resten av universum? Det här är frågor som astronomer och astrofysiker länge har funderat på.

Nu, efter 12 år av experimentellt arbete, ett team av forskare, leds av ASU School of Earth and Space Exploration astronom Judd Bowman, har upptäckt fingeravtrycken från de tidigaste stjärnorna i universum. Använda radiosignaler, upptäckten ger det första beviset för de äldsta förfäderna i vårt kosmiska släktträd, föddes bara 180 miljoner år efter att universum började.

"Det var en stor teknisk utmaning att göra den här upptäckten, eftersom bullerkällor kan vara tusen gånger ljusare än signalen - det är som att vara mitt i en orkan och försöka höra flaxen från en kolibrivinge." säger Peter Kurczynski, National Science Foundation-programansvarig som stödde denna studie. "Dessa forskare med en liten radioantenn i öknen har sett längre än de kraftfullaste rymdteleskopen, öppnar ett nytt fönster på det tidiga universum."

Radioastronomi

För att hitta dessa fingeravtryck, Bowmans team använde ett markbaserat instrument som kallas en radiospektrometer, beläget vid Australiens nationella vetenskapsbyrå (CSIRO) Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO) i västra Australien. Genom deras experiment för att upptäcka den globala EoR-signaturen (EDGES), teamet mätte det genomsnittliga radiospektrumet för alla astronomiska signaler som tas emot över större delen av himlen på södra halvklotet och letade efter små förändringar i effekt som en funktion av våglängd (eller frekvens).

När radiovågor kommer in i den markbaserade antennen, de förstärks av en mottagare, och sedan digitaliseras och spelas in med dator, liknande hur FM-radiomottagare och TV-mottagare fungerar. Skillnaden är att instrumentet är mycket exakt kalibrerat och designat för att fungera så enhetligt som möjligt över många radiovåglängder.

Signalerna som upptäcktes av radiospektrometern i denna studie kom från ursprunglig vätgas som fyllde det unga universum och fanns mellan alla stjärnor och galaxer. Dessa signaler innehåller en mängd information som öppnar ett nytt fönster om hur tidiga stjärnor - och senare, svarta hål, och galaxer - bildade och utvecklade.

"Det är osannolikt att vi kommer att kunna se något tidigare i stjärnornas historia under vår livstid, " säger Bowman. "Detta projekt visar att en lovande ny teknik kan fungera och har banat väg för årtionden av nya astrofysiska upptäckter."

Denna detektering framhäver den exceptionella radiotystheten hos MRO, särskilt eftersom funktionen som hittas av EDGES överlappar frekvensområdet som används av FM-radiostationer. Australisk nationell lagstiftning begränsar användningen av radiosändare inom 161,5 miles (260 km) från platsen, avsevärt minska störningar som annars skulle kunna överrösta känsliga astronomiobservationer.

Resultaten av denna studie har nyligen publicerats i Natur av Bowman, med medförfattarna Alan Rogers från Massachusetts Institute of Technologys Haystack Observatory, Raul Monsalve vid University of Colorado, och Thomas Mozdzen och Nivedita Mahesh också från ASU:s School of Earth and Space Exploration.

Oväntade resultat

Resultaten av detta experiment bekräftar de allmänna teoretiska förväntningarna på när de första stjärnorna bildades och de mest grundläggande egenskaperna hos tidiga stjärnor.

"Vad som händer under den här perioden, " säger medförfattaren Rogers från MIT:s Haystack Observatory, "är att en del av strålningen från de allra första stjärnorna börjar tillåta väte att ses. Det gör att väte börjar absorbera bakgrundsstrålningen, så du börjar se det i siluett, vid speciella radiofrekvenser. Detta är den första riktiga signalen om att stjärnor börjar bildas, och börjar påverka mediet runt dem."

Teamet stämde ursprungligen sitt instrument för att se senare i kosmisk tid, men beslutade 2015 att utöka sin sökning. "Så fort vi bytte vårt system till detta lägre intervall, vi började se saker som vi kände kunde vara en riktig signatur, " säger Rogers. "Vi ser denna nedgång starkast på cirka 78 megahertz, och den frekvensen motsvarar ungefär 180 miljoner år efter Big Bang, " säger Rogers. "När det gäller en direkt detektering av en signal från själva vätgasen, det här måste vara det tidigaste."

Studien avslöjade också att gasen i universum förmodligen var mycket kallare än förväntat (mindre än hälften av den förväntade temperaturen). Detta tyder på att antingen astrofysikers teoretiska ansträngningar har förbisett något betydande eller att detta kan vara det första beviset på icke-standardfysik:Specifikt, att baryoner (normal materia) kan ha interagerat med mörk materia och långsamt förlorat energi till mörk materia i det tidiga universum, ett koncept som ursprungligen föreslogs av Rennan Barkana från Tel Aviv University.

"Om Barkanas idé bekräftas, säger Bowman, "Då har vi lärt oss något nytt och grundläggande om den mystiska mörka materien som utgör 85 procent av materien i universum, ger den första glimten av fysik bortom standardmodellen."

Nästa steg i denna forskningslinje är att ett annat instrument ska bekräfta detta teams upptäckt och fortsätta att förbättra instrumentens prestanda, så att mer kan läras om egenskaperna hos tidiga stjärnor. "Vi har arbetat mycket hårt under de senaste två åren för att validera upptäckten, säger Bowman, "men att låta en annan grupp bekräfta det självständigt är en kritisk del av den vetenskapliga processen."

Bowman skulle också vilja se en acceleration av ansträngningarna för att skapa nya radioteleskop som Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) och Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).

"Nu när vi vet att den här signalen finns, säger Bowman, "vi måste snabbt få online nya radioteleskop som kommer att kunna bryta signalen mycket djupare."

Antennerna och delarna av mottagaren som användes i detta experiment designades och konstruerades av Rogers och MIT Haystack Observatory-teamet. ASU-teamet och Monsalve lade till det automatiska antennreflektionsmätsystemet till mottagaren, försett kontrollhyddan med elektroniken, konstruerade jordplanet och genomförde fältarbetet för projektet. Den nuvarande versionen av EDGES är resultatet av år av designiterationer och pågående detaljerad teknisk förfining av kalibreringsinstrumenteringen för att nå de precisionsnivåer som krävs för att framgångsrikt uppnå denna svåra mätning.