För cirka 12 miljarder år sedan, universum dök upp ur en stor kosmisk mörk tidsålder när de första stjärnorna och galaxerna lyste upp. Med en ny analys av data som samlats in av radioteleskopet Murchison Widefield Array (MWA), forskare är nu närmare än någonsin att upptäcka den ultrasvaga signaturen av denna vändpunkt i kosmisk historia.

I ett papper på förtryckssidan ArXiv och kommer snart att publiceras i The Astrofysisk tidskrift , forskare presenterar den första analysen av data från en ny konfiguration av MWA designad specifikt för att leta efter signalen för neutralt väte, gasen som dominerade universum under den kosmiska mörka tidsåldern. Analysen sätter en ny gräns - den lägsta gränsen hittills - för styrkan hos den neutrala vätesignalen.

"Vi kan med tillförsikt säga att om den neutrala vätesignalen var starkare än den gräns vi satte i tidningen, då skulle teleskopet ha upptäckt det, sa Jonathan Pober, en biträdande professor i fysik vid Brown University och motsvarande författare på den nya uppsatsen. "Dessa fynd kan hjälpa oss att ytterligare begränsa tidpunkten för när den kosmiska mörka tidsåldern tog slut och de första stjärnorna dök upp."

Forskningen leddes av Wenyang Li, som utförde arbetet som Ph.D. student på Brown. Li och Pober samarbetade med en internationell grupp forskare som arbetade med MWA.

Trots dess betydelse i den kosmiska historien, lite är känt om perioden då de första stjärnorna bildades, som är känd som epok av återjonisering (EoR). De första atomerna som bildades efter Big Bang var positivt laddade vätejoner – atomer vars elektroner avlägsnades av spädbarnsuniversums energi. När universum svalnade och expanderade, väteatomer återförenas med sina elektroner för att bilda neutralt väte. Och det är ungefär allt som fanns i universum tills för ungefär 12 miljarder år sedan, när atomer började klumpa ihop sig för att bilda stjärnor och galaxer. Ljus från dessa föremål återjoniserade det neutrala vätet, vilket gör att den i stort sett försvinner från det interstellära rymden.

Målet med projekt som det som sker på MWA är att lokalisera signalen för neutralt väte från den mörka medeltiden och mäta hur det förändrades när EoR utvecklades. Att göra det kan avslöja ny och kritisk information om de första stjärnorna - byggstenarna i universum vi ser idag. Men att få en glimt av den 12 miljarder år gamla signalen är en svår uppgift som kräver instrument med utsökt känslighet.

När det började fungera 2013, MWA var en samling av 2, 048-radioantenner arrangerade över den avlägsna landsbygden i västra Australien. Antennerna buntas ihop till 128" plattor, " vars signaler kombineras av en superdator som kallas korrelatorn. År 2016, antalet brickor fördubblades till 256, och deras konfiguration över landskapet ändrades för att förbättra deras känslighet för den neutrala vätesignalen. Detta nya dokument är den första analysen av data från den utökade arrayen.

Neutralt väte avger strålning vid en våglängd på 21 centimeter. När universum har expanderat under de senaste 12 miljarder åren, signalen från EoR är nu sträckt till cirka 2 meter, och det är vad MWA-astronomer letar efter. Problemet är att det finns otaliga andra källor som sänder ut med samma våglängd - mänskligt skapade källor som digital-tv såväl som naturliga källor från Vintergatan och från miljontals andra galaxer.

"Alla dessa andra källor är många storleksordningar starkare än signalen vi försöker upptäcka, ", sa Pober. "Även en FM-radiosignal som reflekteras från ett flygplan som råkar passera ovanför teleskopet är tillräckligt för att förorena data."

För att komma in på signalen, forskarna använder en myriad av bearbetningstekniker för att sålla bort dessa föroreningar. På samma gång, de står för teleskopets unika frekvenssvar.

"Om vi ​​tittar på olika radiofrekvenser eller våglängder, teleskopet beter sig lite annorlunda, ", sa Pober. "Att korrigera för teleskopresponsen är helt avgörande för att sedan göra separationen av astrofysiska föroreningar och signalen av intresse."

Dessa dataanalystekniker kombinerat med den utökade kapaciteten hos själva teleskopet resulterade i en ny övre gräns för EoR-signalstyrkan. Det är den andra i rad bästa-gräns-till-datum-analysen som släpps av MWA och väcker hopp om att experimentet en dag kommer att upptäcka den svårfångade EoR-signalen.

"Denna analys visar att uppgraderingen av fas två hade många av sina önskade effekter och att de nya analysteknikerna kommer att förbättra framtida analyser, ", sa Pober. "Det faktum att MWA nu har publicerat de två bästa gränserna för signalen rygg mot rygg ger fart åt tanken att detta experiment och dess tillvägagångssätt har mycket lovande."