Big Bang kan have været lyst og dramatisk, men straks derefter blev universet mørkt og i meget lang tid. Forskere mener, at de første stjerner dukkede op i en mudret bouillon af stof 200 millioner år efter den varme start. Da moderne teleskoper ikke er følsomme nok til at observere disse stjernes lys direkte, leder astronomer efter indirekte beviser for deres eksistens.
Og så formåede et forskergruppe at opfange et svagt signal fra disse stjerner ved hjælp af en radioantenne kaldet EDGES på en bordplade. Spektakulære målinger, der åbner et nyt vindue ind i det tidlige univers, viser at disse stjerner dukkede op 180 millioner år efter Big Bang. Arbejdet, der er offentliggjort i Nature, antyder også, at forskere kan genoverveje, hvad "mørkt stof" - en mystisk type usynligt stof - er lavet af.
Modeller viste, at de første stjerner, der belyste universet, var blå og kortvarige. De nedsænkede universet i et bad med ultraviolet lys. Det allerførste observerbare signal fra denne kosmiske daggry er længe blevet betragtet som et "absorptionssignal" - et fald i lysstyrke ved en bestemt bølgelængde - forårsaget af passage af lys og påvirkning af de fysiske egenskaber af skyer af brintgas, det mest rigelige element i universet.
Vi ved, at dette fald skal detekteres i radiobølgedelen af det elektromagnetiske spektrum ved en bølgelængde på 21 cm.
Kompleks måling
Salgsfremmende video:
I starten var der en teori, der forudsagde alt dette. Men i praksis er det ekstremt vanskeligt at finde et sådant signal. Dette skyldes, at det fletter sammen med mange andre signaler i dette område af spektret, der er meget stærkere - for eksempel de almindelige frekvenser af radioudsendelser og radiobølger fra andre begivenheder i vores galakse. Årsagen til, at forskerne lykkedes, var dels fordi eksperimentet var udstyret med en følsom modtager og en lille antenne, der gjorde det relativt let at dække et stort område af himlen.
For at sikre, at ethvert fald i lysstyrke, de fandt, skyldtes stjernelys i det tidlige univers, så forskerne på Doppler-skiftet. Du er bekendt med denne effekt ved at sænke tonehøjden, når en bil med en blinker og en sirene passerer dig. Når galakser bevæger sig væk fra os på grund af universets udvidelse, skifter lys ligeledes mod røde bølgelængder. Astronomer kalder denne effekt for "redshift".
Den røde forskydning fortæller forskere, hvor langt en sky af gas er fra Jorden, og hvor længe siden der efter kosmiske standarder blev udsendt lys fra den. I dette tilfælde vil ethvert skift i lysstyrke, der forventes ved 21 cm bølgelængde, indikere gasbevægelse og afstand. Forskere målte faldet i lysstyrke, der opstod i forskellige kosmiske tidsperioder, indtil det øjeblik, hvor universet kun var 180 millioner år gammelt, og sammenlignede det med dets nuværende tilstand. Det var lyset fra de allerførste stjerner.
Hej mørkt stof
Historien slutter ikke der. Forskere blev overraskede over at finde ud af, at signalamplituden var dobbelt så stor som forudsagt. Dette antyder, at brintgassen var meget koldere end forventet fra mikrobølgebaggrunden.
Disse resultater blev offentliggjort i en anden artikel i Nature og kastede en lokkemadskrog til teoretiske fysikere. Dette skyldes, at det bliver klart af fysik, at gassen på dette tidspunkt af universets eksistens var let at varme op, men vanskelig at afkøle. For at forklare den ekstra køling, der er forbundet med signalet, måtte gassen interagere med noget endnu koldere. Og det eneste koldere end kosmisk gas i det tidlige univers var mørk materie. Teoretikere skal nu beslutte, om de kan udvide standardmodellen for kosmologi og partikelfysik for at forklare dette fænomen.
Vi ved, at der er fem gange mere mørkt stof end almindeligt stof, men vi ved ikke, hvad det er lavet af. Flere varianter af partikler er blevet foreslået, der kan udgøre mørkt stof, og favoritten blandt dem er den svagt interagerende massive partikel (WIMP).
Den nye undersøgelse antyder imidlertid, at den mørke stofpartikel ikke skal være meget tungere end protonen (som kommer ind i atomkernen sammen med neutronen). Dette er et godt stykke under de masser, der er forudsagt for WIMP. Analysen antyder også, at mørkt stof er koldere end forventet, og åbner en fascinerende mulighed for at bruge "21 cm kosmologi" som en sonde for mørkt stof i universet. Yderligere opdagelser med mere følsomme modtagere og mindre interferens fra jordbaseret radio kunne afsløre flere detaljer om mørk materie og måske endda indikere den hastighed, hvormed den bevæger sig.
Ilya Khel
