COMAP:s radioskål vid Owens Valley Radio Observatory. Kredit:OVRO/Caltech
Någon gång runt 400 miljoner år efter födelsen av vårt universum började de första stjärnorna att bildas. Universums så kallade mörka tidsålder tog slut och en ny ljusfylld era började. Fler och fler galaxer började ta form och fungerade som fabriker för att kärna ut nya stjärnor, en process som nådde en topp cirka 4 miljarder år efter Big Bang.
Lyckligtvis för astronomer kan denna svunnen tid observeras. Ljus på avstånd tar tid att nå oss, och våra teleskop kan fånga upp ljus som emitterats av galaxer och stjärnor för miljarder år sedan (vårt universum är 13,8 miljarder år gammalt). Men detaljerna i detta kapitel i vårt universums historia är grumliga eftersom de flesta stjärnorna som bildas är svaga och dolda av damm.
Ett nytt Caltech-projekt, kallat COMAP (CO Mapping Array Project), kommer att ge oss en ny inblick i denna epok av galaxsammansättning, vilket hjälper oss att svara på frågor om vad som verkligen orsakade universums snabba ökning av produktionen av stjärnor.
"De flesta instrument kan se toppen av ett isberg när man tittar på galaxer från denna period", säger Kieran Cleary, projektets huvudutredare och biträdande chef för Caltechs Owens Valley Radio Observatory (OVRO). "Men COMAP kommer att se vad som ligger under, dolt."
Den nuvarande fasen av projektet använder en 10,4-meters "Leighton" radioskål vid OVRO för att studera de vanligaste typerna av stjärnbildande galaxer spridda över rum och tid, inklusive de som är för svåra att se på andra sätt eftersom de är för svimma eller dold av damm. Radioobservationerna spårar råmaterialet som stjärnor är gjorda av:kall vätgas. Denna gas är inte lätt att peka ut direkt, så istället mäter COMAP ljusa radiosignaler från kolmonoxid (CO)-gas, som alltid är närvarande tillsammans med vätgas. COMAPs radiokamera är den mest kraftfulla som någonsin byggts för att upptäcka dessa radiosignaler.
Vänster:en simulerad 2,5 grader 2 fält som visar galaxpositioner i grått (anpassat från Kovetz et al. 2017). Center:simulerad CO-intensitetskarta av samma fält i en del av 40 MHz bandbredd, motsvarande ett rödförskjutningsintervall Δz =0,004. VLA skulle ta ungefär 4500 timmar att täcka samma område, men skulle detektera bara 1% av galaxerna (visas i rött till vänster). COMAP, å andra sidan, är känslig för den samlade emissionen från alla galaxer i siktlinjen, inklusive de som är för svaga för att upptäcka individuellt. Till höger:ett representativt effektspektrum för intensitetskartan som visas i mittpanelen. Spektrumet består av två komponenter:en från samlingen av galaxer på stor skala och en andra som uppstår från det skaloberoende skottbruset, som dominerar på små skalor. Det skuggade området indikerar schematiskt de skalor som Pathfinder är mest känslig för. Kredit:The Astrophysical Journal (2022). DOI:10.3847/1538-4357/ac63cc
De första vetenskapliga resultaten från projektet har just publicerats i sju artiklar i The Astrophysical Journal . Baserat på observationer som tagits ett år in i en planerad femårig undersökning, satte COMAP övre gränser för hur mycket kall gas som måste finnas i galaxer vid den epok som studeras, inklusive de som normalt är för svaga och dammiga för att ses. Även om projektet ännu inte har gjort en direkt upptäckt av CO-signalen, visar dessa tidiga resultat att det är på väg att göra det i slutet av den första femåriga undersökningen och i slutändan kommer att måla upp den mest omfattande bilden hittills av universums historia av stjärnbildning.
"När vi ser på framtiden för projektet, siktar vi på att använda denna teknik för att successivt titta längre och längre tillbaka i tiden", säger Cleary. "Från och med 4 miljarder år efter Big Bang kommer vi att fortsätta att skjuta tillbaka i tiden tills vi når epok för de första stjärnorna och galaxerna, ett par miljarder år tidigare."
Anthony Readhead, huvudforskaren och Robinsonprofessorn i astronomi, emeritus, säger att COMAP kommer att se inte bara den första epoken av stjärnor och galaxer, utan också deras episka förfall. "Vi kommer att observera stjärnbildningen stiga och falla som ett havsvatten", säger han.
COMAP fungerar genom att ta suddiga radiobilder av galaxhopar över kosmisk tid snarare än skarpa bilder av enskilda galaxer. Denna suddighet gör det möjligt för astronomerna att effektivt fånga upp allt radioljus som kommer från en större pool av galaxer, även de svagaste och dammigaste som aldrig har setts.
"På detta sätt kan vi hitta de genomsnittliga egenskaperna hos typiska, svaga galaxer utan att behöva veta mycket exakt var någon enskild galax finns", förklarar Cleary. "Detta är som att hitta temperaturen på en stor volym vatten med en termometer snarare än att analysera rörelserna hos de enskilda vattenmolekylerna."
En sammanfattning av de nya fynden visas i The Astrophysical Journal . + Utforska vidare
