Ein Team von Wissenschaftlern, die mit dem Radioteleskop Murchison Widefield Array (WMA) arbeiten, versucht, das Signal von den ersten Sternen des Universums zu finden. Diese ersten Sterne bildeten sich nach dem dunklen Zeitalter des Universums. Um ihr erstes Licht zu finden, suchen die Forscher nach dem Signal von neutralem Wasserstoff, dem Gas, das das Universum nach dem Mittelalter beherrschte.
Es dauerte eine Weile, bis sich die ersten Sterne bildeten. Nach dem Urknall war das Universum extrem heiß; zu heiß für Atome. Ohne Atome könnte es keine Sterne geben. Erst etwa 377.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt, dass sich Atome bilden konnten, meist neutraler Wasserstoff mit etwas Helium. (Und Spuren von Lithium.) Danach begannen sich während der Epoche der Reionisierung die frühesten Sterne zu bilden.
Um das schwer fassbare Signal von diesem neutralen Wasserstoff zu finden, wurde die MWA neu konfiguriert. Die MWA befindet sich im abgelegenen Westaustralien und hatte 2048 Funkantennen, die bei ihrer Inbetriebnahme im Jahr 2013 in 128 „Kacheln“ angeordnet waren. Um nach dem schwer fassbaren neutralen Wasserstoffsignal zu suchen, wurde die Anzahl der Kacheln auf 256 verdoppelt, und das gesamte Array war neu angeordnet. Alle Daten von diesen Empfängern werden in einen Supercomputer namens Correlator eingespeist.
Ein neues Papier, das im Astrophysical Journal veröffentlicht werden soll, präsentiert die Ergebnisse der ersten Analyse von Daten aus dem neu konfigurierten Array. Das Papier trägt den Titel "Erste Saison MWA Phase II EoR Leistungsspektrum Ergebnisse bei Redshift 7." Der leitende Forscher ist Wenyang Li, ein Doktorand an der Brown University.
Diese Forschung zielte darauf ab, die Stärke des Signals vom neutralen Wasserstoff zu verstehen. Die Analyse legte die bisher niedrigste Grenze für dieses Signal fest, ein Schlüsselergebnis bei der Suche nach dem schwachen Signal selbst.
"Wir können mit Zuversicht sagen, dass das Teleskop es erkannt hätte, wenn das neutrale Wasserstoffsignal stärker gewesen wäre als die in der Veröffentlichung festgelegte Grenze", sagte Jonathan Pober, Assistenzprofessor für Physik an der Brown University und entsprechender Autor der neues Papier. "Diese Erkenntnisse können uns helfen, den Zeitpunkt des Endes des kosmischen dunklen Zeitalters und des Auftauchens der ersten Sterne weiter einzuschränken."
Trotz einer detaillierten Zeitleiste der Ereignisse im frühen Universum gibt es erhebliche Lücken in unserem Verständnis. Wir wissen, dass nach dem Mittelalter die Epoche der Reionisierung begann. Dann führte die Bildung von Atomen zum Auftreten der ersten Strukturen im Universum, wie Sterne, Zwerggalaxien und Quasare. Während sich diese Objekte bildeten, breitete sich ihr Licht im Universum aus und ionisierte den neutralen Wasserstoff erneut. Danach verschwand der neutrale Wasserstoff aus dem interstellaren Raum.
Wissenschaftler wollen wissen, wie sich der neutrale Wasserstoff verändert hat, als das Mittelalter der Epoche der Reionisierung Platz machte und sich die Epoche der Reionisierung entfaltete. Die ersten Sterne, die sich im Universum bildeten, waren Bausteine der Struktur, die wir heute sehen, und um sie zu verstehen, müssen Wissenschaftler das Signal dieses frühen neutralen Wasserstoffs finden.
Das ist aber nicht einfach. Das Signal ist schwach und es sind äußerst empfindliche Detektoren erforderlich, um es zu finden. Obwohl der neutrale Wasserstoff anfänglich seine Strahlung mit einer Wellenlänge von 21 cm emittierte, wurde das Signal aufgrund der Expansion des Universums gestreckt. Es sind jetzt ungefähr 2 Meter. Dieses 2-Meter-Signal geht jetzt leicht unter einer Vielzahl anderer Signale verloren, sowohl natürliche als auch vom Menschen verursachte. Deshalb befindet sich die MWA im abgelegenen Australien, um sie vor möglichst viel Funkrauschen zu schützen.
"Alle diese anderen Quellen sind um viele Größenordnungen stärker als das Signal, das wir zu erkennen versuchen", sagte Pober. "Selbst ein FM-Radiosignal, das von einem Flugzeug reflektiert wird, das sich zufällig über dem Teleskop befindet, reicht aus, um die Daten zu kontaminieren."
Hier kommt die Verarbeitungsleistung des Correlator-Supercomputers ins Spiel. Er kann kontaminierende Signale verwerfen und auch die Art des MWA selbst berücksichtigen.
"Wenn wir verschiedene Radiofrequenzen oder Wellenlängen betrachten, verhält sich das Teleskop etwas anders", sagte Pober. "Die Korrektur der Teleskopantwort ist absolut entscheidend für die Trennung von astrophysikalischen Verunreinigungen und dem interessierenden Signal."
Die Neukonfiguration des Arrays, die Datenanalysetechniken, die Leistung des Supercomputers und die harte Arbeit der Forscher führten zu Ergebnissen. Das Papier präsentiert eine neue Obergrenze für das Signal vom neutralen Wasserstoff. Dies ist das zweite Mal, dass Wissenschaftler, die mit der MWA zusammenarbeiten, eine neue, fein abgestimmte Grenze veröffentlicht haben. Mit fortgesetzten Fortschritten hoffen die Wissenschaftler, das schwer fassbare Signal selbst zu finden.
"Diese Analyse zeigt, dass das Upgrade der zweiten Phase viele der gewünschten Auswirkungen hatte und dass die neuen Analysetechniken zukünftige Analysen verbessern werden", sagte Pober. "Die Tatsache, dass MWA nun die beiden besten Grenzwerte für das Signal hintereinander veröffentlicht hat, gibt der Idee, dass dieses Experiment und sein Ansatz vielversprechend sind, Schwung."
Mehr:
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- MIT Haystack Observatory: Epoche der Reionisierung
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