A művész elképzelése arról, hogy milyen lehet az univerzum, amikor először csillagokat képez. Noha még nincs közvetlen képünk, a rádiócsillagászatból származó új közvetett bizonyítékok rámutatnak ezen csillagok létezésére, amikor 180–260 millió éves korban világegyetem volt. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC))

A csillagok legkorábbi bizonyítéka összetöri Hubble rekordját, és rámutat a sötét anyagra

A közvetett lelet teljesen váratlan volt, és ha kitart, akkor a James Webb Űrtávcsövet adhatja az első csábító célpontjának.

Az univerzumunk megértésének és a kozmikus léptékű történelemnek a megismerése érdekében két legfontosabb kérdés az, hogy mire készül az univerzum és hogyan alakultak ki az első csillagok. Ezek összefüggő kérdések, mivel csak akkor képezhet csillagokat, ha elegendő anyag van ahhoz, hogy gravitációslag összeomlik, és még ebben az esetben is az anyagnak elég sűrűnek és elég hűvösnek kell lennie, hogy ez a folyamat működjön. A legkorábbi csillagok, melyeket valaha közvetlenül észleltünk, a Hubble Űrtávcső által készített ultra-távoli galaxis, a GN-z11 képalkotásáról származnak, amelynek fénye akkor jön hozzánk, amikor az univerzum csak 400 millió éves volt: jelenlegi korszakának 3% -a. Ma, kétéves alapos elemzés után, a Nature-ben közzétett egy Judd D. Bowman és munkatársai által készített tanulmányt, amely bejelentette a csillagfény közvetett észlelését, amikor az univerzum csak 180 millió éves volt, amikor a részletek alátámasztják a sötét meglétét és jelenlétét. ügy.

Az univerzum történetének vázlatos rajza, kiemelve a reionizációt. A csillagok vagy galaxisok kialakulása előtt az Univerzum tele volt fényt blokkoló, semleges atomokkal. Míg az univerzum nagy részében csak akkor válnak újjáéledések, amíg ezt 550 millió évvel később nem valósítják meg, néhány szerencsés régiót leginkább a jóval korábbi időpontokban reionizáltak. (S. G. Djorgovski et al., Caltech Digitális Média Központ)

Visszatérés az első csillagokra bonyolult feladat, mivel sok tényező dolgozik ön ellen. Egyrészt az Univerzum bővül, ami azt jelenti, hogy még a csillagok által kibocsátott legenergetikusabb ultraibolya fény hullámhosszát meghosszabbítják, amikor a tér szöge meghosszabbodik. A föld felé vezető könnyű utazáskor a látható, közeli infravörös és végül a közép-infravörös irányba tolódik el, még mielőtt a szemünkre megérkezik, és láthatatlanná teszi a legtöbb távcső számára. Másrészt a világegyetem a legkorábbi időkben semleges atomokkal van tele, ami azt jelenti, hogy elnyeli (és átlátszatlan) a csillagfényt. Csak az energia, ionizáló fotonok folyamatos expozíciója teszi lehetővé az Univerzum átlátszóvá válását. Ez a hatások kombinációja azt jelenti, hogy a Hubble soha nem látja az első csillagokat.

Az univerzum első csillagjait (főleg) hidrogéngáz semleges atomjai veszik körül, amelyek elnyelik a csillagfényt. A hidrogén átlátszóvá teszi az Univerzumot a látható, ultraibolya és nagy része az infravörös fény számára, de a rádiófény akadálytalanul képes átjutni. (Nicole Rager Fuller / Nemzeti Tudományos Alapítvány)

Ha közvetlenül ezt a fényt akarjuk látni, nincs más választásunk, mint egy nagyon érzékeny űrtávcsővel nagyon hosszú hullámhosszokra nézni: pontosan mi az, amit James Webb tervez! Míg James Webb még mindig a földön van, végleges tesztsorozatait elvégzi, és már készen áll a dobásra, még legalább 18 hónap telik el, hogy megkeresse ezeket a korai csillagokat és galaxisokat. Az okos hatás miatt azonban az semleges atomok, amelyeket az ultraibolya, az optikai és az infravörös távcsövek átjutnak, valójában olyan jelet szolgáltatnak, amelyet észlelhetünk: egy nagyon különleges emissziós vonal a spektrum rádiószakaszában, 21 centiméter hullámhosszon . Látványos a fizika, hogy ez működik.

Egy fiatal, csillagképző régió, amelyet a Tejútunkban találunk. Vegye figyelembe, hogy a csillagok körüli anyag ionizálódik, és az idő múlásával átlátszóvá válik a fény minden formája számára. Amíg ez meg nem történik, a környező gáz elnyeli a sugárzást, és különféle hullámhosszúságú saját fényt bocsát ki. (NASA, ESA és a Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble együttműködés; Elismerés: R. O’Connell (Virginiai Egyetem) és a WFC3 Tudományos Felügyeleti Bizottság)

Amikor csillagokat képez, energiát adnak az atomokat, molekulákat, ionokat és egyéb részecskéket, amelyek körülveszik őket. A világegyetem legkorábbi szakaszaiban a létező atomok 92% -a (szám szerint) hidrogénatom: egyetlen proton egyetlen elektronnal, amely körül kering. Az első sugárzott csillagfény ionizálja az atomok egy részét, de általános abszorpciós hatást is okoz, amikor az atomokon belüli elektronok nagyobb energiájú állapotba kerülnek. Amint az elektronok visszatérnek a protonokhoz és / vagy leesnek az alapállapotba, amit spontán módon végeznek, akkor 50/50 esélye van arra, hogy a centrifugájukkal igazodva vagy anti-igazítva a centrális proton centrifugálásával felcsavarodnak. Ha ellenkeznek, akkor örökké ott maradnak. De ha egymáshoz igazodnak, akkor végül megfordulnak, és nagyon specifikus kvantum energiát bocsátanak ki 21 centiméter hullámhosszon.

A 21 centiméteres hidrogénvonal akkor jön létre, amikor egy proton / elektron kombinációt és egybehangolt centrifugát tartalmazó (hidrogénatom) hidrogénatom elcsúszik, hogy anti-igazított spinsek legyenek (alsó), és egy nagyon jellemző hullámhosszú fotont bocsátanak ki. (Tiltec of Wikimedia Commons)

Ennek a fotonkibocsátási tulajdonságnak zavartalanul kellene haladnia az Univerzumon, érkezésekor a szemünkre, miután vöröselt váltottunk és még hosszabb hullámhosszra nyújtottuk. Első alkalommal a rádiókibocsátás teljes égbolt átlagát példátlan érzékenységre vették, és ez az ultra-távoli aláírás figyelemre méltóan megjelent! Az összegyűjtött adatok azt mutatják, hogy ez a semleges hidrogéngáz nagyon specifikus időtartamon keresztül bocsátja ki ezt a 21 cm-es vonalat: 15-20-as vöröseltolódásig, vagy az univerzum életkora 180 és 260 millió év között. Első ízben vannak olyan tényleges adatok, amelyek jelzik, hogy a legkorábbi csillagok elegendő bőségben alakultak ki, hogy az univerzum semleges gázára hatjon.

A hatalmas „merülés”, amelyet az itt látható grafikonon mutat, a Bowman és társai legújabb tanulmányának közvetlen eredménye. (2018), megmutathatatlanul jelzi a 21 cm-es emissziót, amikor az Univerzum 180 és 260 millió év közötti volt. Úgy gondoljuk, hogy ez megfelel a csillagok és galaxisok első hullámának bekapcsolódásához az Univerzumban. (Bowman J. D. és társai, Nature, 555, L67 (2018))

Az adatok azt is jelzik a gáz hőmérséklete szempontjából, amely sokkal hidegebbnek tűnik, mint a mi szokásos modellünk előrejelzi. Ez számos útvonallal magyarázható, többek között:

  • csillagok és csillagmaradványok sugárzása,
  • a vártnál melegebb kozmikus sugárzás háttér,
  • vagy további hűtés a normál és a sötét anyag kölcsönhatása miatt.

Az első lehetőség jól megérthető, és valószínűleg nem veszi figyelembe ezt a hatást, míg a második lehetőség hihetetlen pontossággal lett megmérve és könnyen kizárható. De a harmadik magyarázat lehet a régóta keresett nyom a sötét anyag birtokában levő részecske tulajdonságokra.

A kozmikus struktúra kialakulása mind a nagy, mind a kis léptékben nagymértékben függ attól, hogy a sötét anyag és a normál anyag hogyan hatnak egymásra. A 21 cm-es vonalat kibocsátó semleges gáz megfigyelt, hűvös hőmérsékleteivel ez utalhat arra, hogy a sötét anyag és a normál anyag kölcsönhatásba lép a gáz új, váratlan módon történő lehűtése érdekében. (Illustris Együttműködés / Illustris Szimuláció)

De, mint minden másnál, fontos is óvatossággal járni. A hűtés várhatóan eltérően megy végbe egy gázfelhőn, ha kizárólag hidrogénből áll, szemben a nehéz elemekkel, de az összes felhő, amelyet korábban megfigyeltünk, tartalmazza ezeket a nehéz elemeket; a csillagok korábbi generációit alkották. Ráadásul rendkívül hideg helyeink vannak a galaxisunkban, például a Boomerang köd, amely csupán ~ 1 K hőmérsékleten van hidegebb, mint a galaktikus közötti tér legmélyebb üregei. Tekintettel arra, hogy az első csillagok valószínűleg nagyon különbözőek voltak, mint a mai napjainkban, ésszerű azt gondolni, hogy valószínűleg nem értjük, hogyan működik a csillagok és csillagmaradványok a korai világegyetemben, ahogy azt gondoljuk.

A művész benyomása a környezetről a korai világegyetemben, miután az első néhány billió csillag kialakult, élt és meghalt. A csillagok létezése és életciklusa az elsődleges folyamat, amely gazdagítja az Univerzumot pusztán a hidrogénen és a héliumon túl, míg az első csillagok által kibocsátott sugárzás a látható fény számára átlátszóvá teszi. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling és társai (STECF))

Ez mégis óriási előrelépés és az első ablakünk a csillagokba, amelyek a Hubble határain túl léteznek az Univerzumban. Hihetetlenül szuggesztív és reményteljes eredmény a sötét anyag vadászai számára, jelezve, hogy végül is mérhető kölcsönhatás lehet a sötét anyag és a normál anyag között. És ez ad valamit a James Webb Űrtávcsőhöz, amit kell keresni: a korai csillagok és galaxisok populációi, amelyek bekapcsolnak egy adott vöröseltolódási ablakon.

Ennek a 21 cm-es jelnek a detektálásakor, amely akkor kezdődött, amikor az Univerzum 180 és 260 millió év közötti volt, most az első csillagok és galaxisok idővonalát hátráltattuk, hogy messze meghaladjuk a közvetlen detektálási korlátainkat. Ennek ellenére ez a felismerés segít jobban megérteni, hogy az Univerzum miként alakult a mai formájában. (Nicole Rager Fuller / Nemzeti Tudományos Alapítvány)

Míg a csillagászok általában óvatosak, ez a felfedezés spekulációk szünetét idézte elő. Avi Loeb, az Associated Press idézetében, azt mondta: „Ha megerősítést nyer, ez a felfedezés két Nobel-díjat érdemel”, azért, mert felfedezték ezen ultra-távoli csillagok első bizonyítékait és a sötét anyaghoz való kapcsolódást. Ahogy Katie Mack írta a Scientific American-ben:

Ez a világegyetem bármilyen struktúrájának legkorábbi jelzése, és egy közvetlen ablak a folyamatokba, amelyek mindegyik, a szükségtelen hidrogéngázt a gravitáció alatt csillagokba és galaxisokba, és végül az életbe kondenzáltak.

És ami a legfontosabb: ez egy pillantás arra, mit jelent a tudomány határainak visszaszorítása. Bármi új első bizonyítéka szinte mindig közvetett, gyenge és nehezen értelmezhető. De ezek a megmagyarázhatatlan jelek képesek megmagyarázni azt, amit még nem tudunk teljesen megérteni: hogy az Univerzum miként alakult olyan, mint ma. Ez az első alkalom, hogy az Univerzum megfigyelési nyomot adott nekünk arról, hogy hol és mikor, és mit kell keresni. Rajtunk múlik, hogy megtesszük a következő lépést.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.