Und dann war Licht: Die Suche nach den ersten Sternen im Universum

Numerische Simulation von neutralem Wasserstoff (Rot), der in der Reionisierungsepoche von den ersten Sternen (Weiß) langsam aufgeheizt wird. Die Simulation wurde vom Dark-Ages Reionisation And Galaxy Observables from Numerical Simulations (DRAGONS) Programm erstellt. (Credit: Paul Geil and Simon Mutch)
Numerische Simulation von neutralem Wasserstoff (Rot), der in der Reionisierungsepoche von den ersten Sternen (Weiß) langsam aufgeheizt wird. Die Simulation wurde vom Dark-Ages Reionisation And Galaxy Observables from Numerical Simulations (DRAGONS) Programm erstellt. (Credit: Paul Geil and Simon Mutch)

Forscher suchen nach einem zwölf Milliarden Jahre altem Signal, das das Ende des Dunklen Zeitalters nach dem Urknall markiert.

Astronomen nähern sich einem Signal, das seit zwölf Milliarden Jahren durch das Universum reist und ihr Wissen über das Leben und den Tod der allerersten Sterne erweitert.

In einer Abhandlung auf dem Preprint-Server arxiv und bald im Astrophysical Journal veröffentlicht, berichtet ein Team von einer zehnfachen Verbesserung bezüglich Daten, die vom Murchison Widefield Array (MWA) gesammelt wurden, einer Gruppe aus 4096 Dipol-Antennen im abgelegenen Hinterland Western Australias. Das Team wurde von Dr. Nichole Barry von der University of Melbourne und dem ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) geleitet.

Das MWA, das im Jahr 2013 seinen Betrieb aufnahm, wurde speziell dafür konstruiert, um die elektromagnetische Strahlung von neutralem Wasserstoff zu registrieren. Neutraler Wasserstoff ist ein Gas, das den Großteil des jungen Universums in der Zeitperiode füllte, als die durch den Urknall entstandene Suppe aus unverbundenen Protonen und Neutronen sich abzukühlen begann.

Letztendlich fanden diese Wasserstoffatome zusammen, um die allerersten Sterne zu bilden und damit eine wichtige Phase in der Entwicklung des Universums einzuleiten, die als Reionisierungsepoche bekannt ist.

“Die Entwicklung der Reionisierungsepoche zu definieren, ist für unser Wissen über Astrophysik und Kosmologie extrem wichtig”, erklärte Dr. Barry. “Bislang war jedoch niemand in der Lage, sie zu beobachten. Diese Ergebnisse bringen uns diesem Ziel viel näher.”

Der neutrale Wasserstoff, der Raum und Zeit vor und in der frühen Phase der Reionisierungsepoche dominierte, emittierte Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 21 Zentimetern. Heute existiert das Signal immer noch, allerdings aufgrund der Expansion des Universums auf eine Wellenlänge von gut zwei Metern gestreckt. Es zu registrieren bleibt der theoretisch beste Weg, um die Bedingungen in der Frühzeit des Universums zu untersuchen.

Das ist allerdings höllisch schwer. “Das Signal, nach dem wir suchen, ist mehr als zwölf Milliarden Jahre alt”, erklärte die Co-Autorin und ASTRO-3D-Mitglied Cathryn Trott, eine außerordentliche Professorin vom International Centre for Radio Astronomy Research an der Curtin University in Western Australia.

“Es ist außergewöhnlich schwach, und es gibt viele andere Galaxien zwischen dem Signal und uns. Sie liegen im Weg und machen es sehr schwer, die Informationen herauszuziehen, die wir wollen.” Mit anderen Worten: Die vom MWA aufgezeichneten Signale (und andere Instrumente, die nach Signalen der Reionisierungsepoche suchen wie das Hydrogen Epoch of Reionisation Array in Südafrika und das Low Frequency Array in den Niederlanden) sind extrem vertrackt.

Basierend auf 21 Stunden Rohdaten untersuchten Dr. Barry, Mike Wilensky (ebenfalls leitender Autor von der University of Washington) und ihre Kollegen neue Techniken, um die Analyse zu verfeinern und stetige Kontaminationsquellen auszuschließen, darunter ultraschwache Interferenzen von Radioübertragungen auf der Erde.

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Video-Link: https://youtu.be/yYNkbq8CaJk

 

Das Ergebnis war ein Präzisionsgrad, der den möglichen Anfangsbereich der Reionisierungsepoche drastisch verkleinert und die Grenzen um fast eine Größenordnung enger gezogen hat. “Wir können nicht wirklich sagen, dass diese Abhandlung uns näher an die genaue Datierung vom Beginn oder Ende der Reionisierungsepoche bringt, aber sie schließt einige der extremeren Modelle aus”, sagte Professor Trott. “Dass es sehr schnell passierte, ist jetzt ausgeschlossen. Dass die Bedingungen sehr kalt waren, ist ebenfalls ausgeschlossen.”

Dr. Barry sagte, die Ergebnisse würden nicht nur einen Schritt vorwärts in Richtung der globalen Aufgabe zur Erforschung des jungen Universums darstellen, sondern auch einen Rahmen für zukünftige Forschungen etablieren. “Wir haben etwa 3.000 Stunden Daten vom MWA”, erklärte sie. “Und für unsere Zwecke sind manche davon nützlicher als andere. Dieser Ansatz wird uns sagen können, welche Informationen am vielversprechendsten sind und sie besser analysieren, als wir es jemals zuvor konnten.”

Die Forschungsarbeit wurde von mehreren ASTRO-3D-Mitgliedern der University of Melbourne, der Curtin University, der Astronomy and Space Science Division in Epping (NSW, Australien) und der University of Washington durchgeführt. Sie arbeiteten zusammen mit Wissenschaftlern der Arizona State University, der Brown University und des MIT in den USA sowie der Kumamoto University in Japan und dem Raman Research Institute in Indien.

Quelle

(THK)

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