Ett team av astronomer har utvecklat en metod som gör att de kan "se" genom det tidiga universums dimma och upptäcka ljus från de första stjärnorna och galaxerna.

Forskarna, ledda av University of Cambridge, har utvecklat en metod som gör det möjligt för dem att observera och studera de första stjärnorna genom molnen av väte som fyllde universum cirka 378 000 år efter Big Bang.

Att observera födelsen av de första stjärnorna och galaxerna har varit ett mål för astronomer i decennier, eftersom det kommer att hjälpa till att förklara hur universum utvecklades från tomheten efter Big Bang till det komplexa riket av himlaobjekt vi observerar idag, 13,8 miljarder år senare.

Square Kilometer Array (SKA) – ett nästa generations teleskop som ska vara färdigt i slutet av decenniet – kommer sannolikt att kunna ta bilder av det tidigaste ljuset i universum, men för nuvarande teleskop är utmaningen att upptäcka det kosmologiska stjärnornas signal genom de tjocka vätemolnen.

Signalen som astronomer strävar efter att upptäcka förväntas vara ungefär hundra tusen gånger svagare än andra radiosignaler som också kommer från himlen – till exempel radiosignaler som har sitt ursprung i vår egen galax.

Att använda ett radioteleskop i sig introducerar förvrängningar av den mottagna signalen, vilket helt kan skymma den kosmologiska signalen av intresse. Detta anses vara en extrem observationsutmaning i modern radiokosmologi. Sådana instrumentrelaterade snedvridningar anklagas vanligtvis som den största flaskhalsen i denna typ av observationer.

Nu har det Cambridge-ledda teamet utvecklat en metodik för att se igenom urmolnen och andra himmelsbrussignaler, för att undvika den skadliga effekten av förvrängningarna som introduceras av radioteleskopet. Deras metodik, en del av REACH-experimentet (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), kommer att göra det möjligt för astronomer att observera de tidigaste stjärnorna genom deras interaktion med vätemolnen, på samma sätt som vi skulle sluta oss till ett landskap genom att titta på skuggor i dimma.

Deras metod kommer att förbättra kvaliteten och tillförlitligheten av observationer från radioteleskop som tittar på denna outforskade nyckeltid i universums utveckling. De första observationerna från REACH väntas senare i år.

Resultaten rapporteras idag i tidskriften Nature Astronomy .

"När de första stjärnorna bildades var universum mestadels tomt och bestod mestadels av väte och helium", säger Dr Eloy de Lera Acedo från Cambridges Cavendish Laboratory, tidningens huvudförfattare.

Han tillade, "På grund av gravitationen kom elementen så småningom samman och förutsättningarna var de rätta för kärnfusion, vilket är vad som bildade de första stjärnorna. Men de var omgivna av moln av så kallat neutralt väte, som absorberar ljus riktigt bra, så det är svårt att upptäcka eller observera ljuset bakom molnen direkt."

Under 2018 publicerade en annan forskargrupp (som driver "Experiment to Detect the Global Epoch of Reioniozation Signature" - eller EDGES) ett resultat som antydde en möjlig upptäckt av detta tidigaste ljus, men astronomer har inte kunnat upprepa resultatet - vilket ledde dem att tro att det ursprungliga resultatet kan ha berott på störningar från teleskopet som används.

"Det ursprungliga resultatet skulle kräva ny fysik för att förklara det, på grund av temperaturen på vätgasen, som borde vara mycket svalare än vad vår nuvarande förståelse av universum skulle tillåta. Alternativt kan en oförklarad högre temperatur på bakgrundsstrålningen - vanligtvis antas att vara den välkända kosmiska mikrovågsbakgrunden – kan vara orsaken", sa de Lera Acedo.

"Om vi ​​kan bekräfta att signalen som hittades i det tidigare experimentet verkligen kom från de första stjärnorna, skulle konsekvenserna bli enorma."

För att studera denna period i universums utveckling, ofta kallad den kosmiska gryningen, studerar astronomer 21-centimeterslinjen – en elektromagnetisk strålningssignatur från väte i det tidiga universum. De letar efter en radiosignal som mäter kontrasten mellan strålningen från vätgasen och strålningen bakom vätgasdimman.

Metodiken som utvecklats av de Lera Acedo och hans kollegor använder Bayesiansk statistik för att detektera en kosmologisk signal i närvaro av störningar från teleskopet och allmänt brus från himlen, så att signalerna kan separeras.

För att göra detta har den senaste tekniken och teknologin från olika områden krävts.

Forskarna använde simuleringar för att efterlikna en verklig observation med hjälp av flera antenner, vilket förbättrar tillförlitligheten hos data – tidigare observationer har förlitat sig på en enda antenn.

"Vår metod analyserar gemensamt data från flera antenner och över ett bredare frekvensband än motsvarande nuvarande instrument. Detta tillvägagångssätt kommer att ge oss den nödvändiga informationen för vår Bayesianska dataanalys", säger de Lera Acedo.

"I huvudsak glömde vi traditionella designstrategier och fokuserade istället på att designa ett teleskop som passar det sätt vi planerar att analysera data på - något som liknar en omvänd design. Detta kan hjälpa oss att mäta saker från den kosmiska gryningen och in i återjoniseringens epok , när väte i universum återjoniserades."

Teleskopets konstruktion håller för närvarande på att slutföras vid Karoo radioreservat i Sydafrika, en plats som valts för dess utmärkta förhållanden för radioobservationer av himlen. Det är långt borta från mänskligt skapade radiofrekvensstörningar, till exempel TV- och FM-radiosignaler.

REACH-teamet med över 30 forskare är multidisciplinärt och distribuerat över hela världen, med experter inom områden som teoretisk och observationskosmologi, antenndesign, radiofrekvensinstrumentering, numerisk modellering, digital bearbetning, big data och Bayesiansk statistik. REACH leds av University of Stellenbosch i Sydafrika.

Professor de Villiers, medledare för projektet vid University of Stellenbosch i Sydafrika sa:"Även om antenntekniken som används för detta instrument är ganska enkel, gör den hårda och fjärranvända miljön och de strikta toleranserna som krävs vid tillverkningen. detta är ett mycket utmanande projekt att arbeta med."

"Vi är oerhört glada över att se hur väl systemet kommer att fungera och har fullt förtroende för att vi kommer att göra den svårfångade upptäckten."

Big Bang och mycket tidiga tider av universum är välkända epoker, tack vare studier av Cosmic Microwave Background (CMB) strålning. Ännu bättre förstådd är den sena och utbredda utvecklingen av stjärnor och andra himmelska föremål. Men tiden för bildandet av det första ljuset i kosmos är en grundläggande saknad bit i pusslet om universums historia. + Utforska vidare

Ett hav av galaxer väntar:Ny COMAP-radioundersökning