Tack vare de mest avancerade teleskopen, astronomer idag kan se hur föremål såg ut för 13 miljarder år sedan, ungefär 800 miljoner år efter Big Bang. Tyvärr, de är fortfarande oförmögna att tränga igenom slöjan av den kosmiska mörka medeltiden, en period som varade från 370, 000 till 1 miljard år efter Big Bang, där universum var översvämmat med ljusdöljande neutralt väte. På grund av detta, våra teleskop kan inte se när de första stjärnorna och galaxerna bildades - ca. 100 till 500 miljoner år efter Big Bang.

Denna period är känd som den kosmiska gryningen och representerar den "slutliga gränsen" för kosmologiska undersökningar för astronomer. I november, NASA:s nästa generations James Webb rymdteleskop (JWST) kommer äntligen att skjutas upp i rymden. Tack vare dess känslighet och avancerade infraröda optik, Webb kommer att vara det första observatoriet som kan bevittna födelsen av galaxer. Enligt en ny studie från Université de Genève, Schweiz, förmågan att se den kosmiska gryningen kommer att ge svar på dagens största kosmologiska mysterier.

Forskningen leddes av Dr. Hamsa Padmanabhan, en teoretisk fysiker och Collaboratrice Scientifique II vid Université de Genève. Hon är också huvudutredare för Swiss National Science Foundation (SNSF) och mottagare av 2017 års Ambizione Grant (forskningsmedel som tilldelas av SNSF) för sitt oberoende projekt, med titeln "Probing the Universe:through reionization and beyond."

För dagens astronomer och kosmologer, förmågan att observera den kosmiska gryningen representerar en möjlighet att svara på de mest bestående kosmiska mysterierna. Medan det tidigaste ljuset i universum fortfarande är synligt idag som Cosmic Microwave Background (CMB), det som följde kort därefter (och fram till cirka 1 miljard år efter Big Bang) har historiskt sett varit osynligt för våra mest avancerade instrument.

Detta har hållit vetenskapliga sinnen i mörkret (ingen ordlek!) i flera viktiga kosmologiska frågor. Inte bara bildades de första stjärnorna och galaxerna under "den mörka medeltiden, " gradvis föra ljus till universum, det var också runt denna tid som "kosmisk återjonisering" inträffade. Denna övergångsperiod är när nästan all neutral gas som trängt igenom universum tros ha förvandlats till protoner och elektroner (aka. baryoner) som utgör all "normal" materia.

Tyvärr, astronomer har inte kunnat studera denna period av kosmisk historia. Mycket av problemet härrör från hur ljus från denna epok har rödförskjutits till en punkt där det är synligt i en del av radiospektrumet som är otillgängligt för moderna instrument (21-cm övergångslinjen). Men som Dr Padmanabhan förklarade för Universe Today via e-post, detta är inte det enda hindret för att studera det tidiga universum:

"Denna period har gäckat oss hittills i observationer på grund av den höga känslighetsnivån som krävs för att göra en detektering av utsläppet, kombinerat med utmaningen att upptäcka den extremt svaga signalen (som kommer från vätgasen som fanns i det tidiga universum) i närvaro av förgrundsemission (mest från vår egen galax) som är cirka 4-5 storleksordningar större än signalen vi vill mäta."

Genom att studera de tidigaste stjärnorna och galaxerna i formation, astronomer kommer att kunna se var 90 % av baryonisk (aka. "ljusande" eller "normal") materia i universum kom ifrån och hur den utvecklades till de storskaliga kosmiska strukturer vi ser idag. Möjligheten att modellera hur universum utvecklats från denna period fram till idag ger också möjligheten att se påverkan av mörk materia och mörk energi direkt.

Från detta, forskare kommer att utvärdera olika kosmologiska modeller, den mest accepterade av dessa är modellen Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Sa Dr Padmanabhan:

"Tillgång till denna epok representerar också ett stort steg i vårt kosmologiska informationsinnehåll. Detta beror på att det innehåller minst 10, 000–100, 000 gånger mer information än vad som är tillgängligt för närvarande från alla våra galaxundersökningar hittills, samt vad vi får från Cosmic Microwave Background (CMB) strålning. Det är i princip den största datamängden vi någonsin kan hoppas på att ha för att testa våra fysikmodeller! Vi kan utforska en svit av fascinerande fysikmodeller utöver vår standardmodell för kosmologi."

Dessa inkluderar modeller som involverar icke-standardiserade versioner av Dark Matter (dvs. "varm mörk materia"), modifierade versioner av gravitationen, och inflationsteorier som inte involverar mörk energi—Modifierad Newtonsk dynamik (MOND). Väsentligen, forskare kommer att kunna se gravitation och kosmisk expansion från det ögonblick då allt började (några biljondelar av en sekund efter Big Bang). I åratal, det astronomiska samfundet har ivrigt väntat på dagen då James Webb äntligen skulle skjutas ut i rymden.

Mycket av deras spänning härrör från det faktum att observatoriets avancerade infraröda optik och höga känslighet gör att det kan observera de tidigaste galaxerna medan de fortfarande var i formation. Vanligtvis, ljuset från galaxerna skulle skymmas av allt interstellärt och intergalaktiskt damm och gas som ligger mellan dem och jorden. Tillsammans med befintliga och nästa generations instrument, säger Dr Padmanabhan, dessa galaxer kommer att kunna observeras för första gången:

"Uppdrag som JWST kommer att kunna upptäcka extremt svaga galaxer som bildades när universum bara var en tiondel av sin nuvarande storlek. I kombination med radioundersökningar som [Square Kilometer Array] SKA, detta kommer att ge oss en heltäckande bild av de första ljuskällorna och deras utveckling över kosmisk tid. JWST ger djupa, 'pennstråle'-liknande undersökningar vars totala synfält är i storleksordningen flera kvadratiska bågminuter, så den kommer inte åt kosmologiska skalor, men kommer att avsevärt förbättra vår förståelse för de fysiska processer som bidrog till återjonisering."

"ALMA detekterar nu rutinmässigt galaxer i deras submillimeterlinjeemission, såsom enkeljoniserat kol, [CII] och dubbeljoniserat syre, [OIII], som båda är mycket intressanta prober för återjonisering. Det kommande COMAP-Epoch of Reionization-experimentet som jag är en del av planerar för att få tillgång till kolmonoxid (CO) linjeutsläpp runt mitten till slutstadiet av återjonisering, vilket är ett utmärkt spår av stjärnbildning. Förgrunder är inte ett lika allvarligt problem för submillimeterlinjerna."

Detta är känt som multi-budbärarmetoden, där ljussignaler från olika instrument och vid olika våglängder kombineras. När den appliceras på den kosmiska gryningen, säger Dr Padmanabhan, detta tillvägagångssätt är det mest lovande verktyget för att få insikter i universum. Specifikt, att upptäcka gravitationsvågor från de första supermassiva svarta hålen kommer att avslöja hur dessa urkrafter i naturen påverkade den galaktiska evolutionen.

"Kombinera detta med kunskapen om hur gasen och galaxerna utvecklas som vi får genom elektromagnetiska undersökningar, detta kommer att ge oss en heltäckande bild av Cosmic Dawn, " sa han. "Det kommer att vara avgörande för att svara på en enastående fråga inom kosmologi och astrofysik:hur bildades de första svarta hålen, och vad var deras bidrag till återjonisering?"

Potentialen att genomföra kampanjer med flera budbärare som kombinerar högkänsliga infraröda signaler med radiosignaler är ett av de många sätt som astronomi går så snabbt framåt på. Förutom mer sofistikerade instrument, astronomer kommer också att dra nytta av förbättrade metoder, mer sofistikerade maskininlärningstekniker, och möjligheter till och forskningssamarbete.

Sist men inte minst, förmågan att kombinera signaler från olika arrayer (och vid olika våglängder av elektromagnetisk energi) har redan skapat nya möjligheter för sofistikerade bildkampanjer. Ett bra exempel på detta är projektet Event Horizon Telescope (EHT), som förlitar sig på 10 radioteleskop över hela världen för att samla ljus från SMBHs (som vår egen Skytten A*). Under 2019, EHT tog den första bilden av en SMBH; I detta fall, den som ligger vid kärnan M87 (Jungfrun En superjätte elliptisk galax).

Möjligheten att utföra spetsforskning kommer att finnas i överflöd inom en snar framtid, och de upptäckter vi kommer att göra kommer att vara inget annat än revolutionära. Även om det säkert kommer att finnas några hicka på vägen och fler mysterier att lösa, en sak är säker:framtiden för astronomi kommer att bli en mycket spännande tid!