Üzenet érkezett a korai univerzumból

2018.03.03. 16:32

Még csak 180 millió éves, szinte gyermek volt a világegyetem, amikor útnak indultak azok a rádiójelek, amelyeket most észlelt egy ausztrál csillagászati antenna. A hidrogéngáz eddigi legkorábbi üzenete szerint az univerzum még hidegebb hely volt akkoriban, mint gondoltuk.

Nyugat-Ausztrália egy eldugott csücskében gyenge jelet fogott egy asztalnyi méretű rádióantenna. Hogy ebből a hírből tanulmány lett a Nature magazin legfrissebb számában, annak az az oka, hogy a jel 13,6 milliárd évvel ezelőtt indult útnak: akkor, amikor az azelőtt sötét univerzumban kigyúltak az első csillagok. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) és az Arizonai Állami Egyetem csillagászai úgy számolják, hogy a hidrogéngáztól eredő rádiójelek az ősrobbanás után mindössze 180 millió évvel keletkeztek, ezért a hidrogén ma ismert legkorábbi üzenetei a formálódó világegyetemből.

A tudósok azt is megállapították, hogy a hidrogéngáz a jel keletkezésének idején olyan állapotban volt, amilyenbe csak a legelső csillagok létrejötte után kerülhetett. A legkorábbi csillagok, amelyek az annakelőtte koromsötét univerzumban először kezdtek fényt árasztani, jóval forróbbak voltak a maiaknál, ezért fényenergiájuk jelentős részét az ultraibolya tartományban sugározták ki. Ez az ultraibolya sugárzás kölcsönhatott a környező hidrogéngázzal, ionizálva azt, s ennek hatására a hidrogéngáz univerzumszerte elkezdte elnyelni a kozmikus háttérsugárzást. A csillagászok ennek a kulcsfontosságú mozzanatnak a nyomára leltek rá a rádióhullámok alakjában. Ezzel arra is bizonyítékot találtak, hogy a csillagkeletkezés az ősrobbanás után 180 millió évvel vehette kezdetét.

Nagyon hideg volt az univerzum

„Ez az első kézzelfogható jele annak, hogy a csillagok elkezdtek kialakulni, és elkezdtek hatást gyakorolni az őket tartalmazó közegre – mondta el a tanulmányban közreműködő Alan Rogers, az MIT Haystack Obszervatóriumának munkatársa. – Ebben a periódusban történik az, hogy a legelső csillagok sugárzásának egy része detektálhatóvá teszi számunkra a hidrogént. A csillagfény hatására a hidrogén elkezdi elnyelni a háttérsugárzást, így a hidrogénnek mintegy a sziluettjét látjuk meghatározott rádiófrekvenciákon."

Az észlelt rádióhullámok bizonyos sajátságaiból a tudósok azt a következtetést is levonták, hogy a hidrogéngáz, és vele az univerzum egésze is kétszer olyan hideg volt akkoriban, mint ahogy azt eddig becsülték: mindössze 3 Kelvin-fokos. Rogers és munkatársai még nem értik pontosan, miből fakadhat ez az eltérés a korábbi számításokhoz képest, de egyes kutatók szerint a dolognak köze lehet a konvencionális és a sötét anyag közötti kölcsönhatáshoz.

Forrás: N.R.Fuller, National Science Foundation

„Eredményeink nyomán frissítenünk kell az univerzum korai evolúciójáról kialakult képünket – erősítette meg Colin Lonsdale, a Haystack Obszervatórium igazgatója. – A változások érinteni fogják a kozmológiai modelleket, és az elméleti tudósoknak újra kell gondolniuk, hogyan is mehetett végbe ez az egész."

Kisméretű antennával fogták a jeleket

A cikk szerzői egy kisméretű földi rádióantenna, a nyugat-ausztráliai EDGES (Experiment to Detect Global EoR Signature: Kísérlet a reionizáció korszakából származó globális ujjlenyomat detektálására) segítségével fogták be az éppen ionizálódó hidrogéngáz jeleit. Az antennákat, valamint a vevőegység egyes elemeit Rogers és a Haystack csillagvizsgáló munkacsoportja tervezte és építette. Az EDGES jelenlegi formájában több évnyi újra- meg újratervezés, sokszor ismételt finomhangolás eredménye. A folyamat során az eszközt többször újrakalibrálták, míg el nem érték azt a pontossági szintet, amely e rendkívüli nehézségű mérés kivitelezéséhez szükséges.

Amint azt a neve is elárulja, a műszert eredetileg is arra tervezték, hogy az univerzum történetének a „reionizáció korszaka” néven ismert epizódjából gyűjtse a rádiójeleket. Ebben a periódusban jelentek meg az első fényforrások – csillagok, kvazárok és galaxisok – az univerzumban, s ettől a korábban töltéssemleges, elsősorban hidrogéngázból álló galaxisközi anyag ionizálódott. Az első csillagok kialakulása előtt a világegyetemben teljes sötétség honolt, és leggyakoribb eleme, a hidrogén a kozmikus háttérsugárzástól megkülönböztethetetlen energiaállapotban volt, ezért semmilyen számunkra észlelhető jelet nem adott a létezéséről.

Forrás: Dragonfly Media/Dragonfly Media

Amikor viszont az első, a maiaknál jóval forróbb csillagok ontani kezdték az ultraibolya sugárzást, a hidrogénatomok energiaszintjeinek eloszlása megváltozott: egyetlen elektronjuk innentől fogva vagy az atommaggal megegyező, vagy azzal ellentétes irányú spint vett fel. Ettől a hidrogén mint olyan – az asztrofizikusok szóhasználatával – „lecsatolódott" a háttérsugárzásról, és elkezdte vagy sugározni, vagy elnyelni ezt a sugárzást a jellegzetes 21 cm-es (1420 megahertzes frekvenciának megfelelő) hullámhosszon. Ahogy aztán a világegyetem idővel tágult, e háttérsugárzás ún. vöröseltolódást szenvedett az alacsonyabb frekvenciák felé. Mire az eredetileg 21 cm-es hullámhosszú, 1420 MHz-es sugárzás elérte a mai Földet, a frekvenciája 100 Mhz-re csökkent.

Rogers és munkatársai az EDGES segítségével azt próbálták meg kideríteni, hogy mikor kezdődhetett a reionizáció korszaka, s ehhez próbálták a korai világegyetem hidrogénjéből származó jeleket befogni. „Ezeknek a jeleknek a detektálása hatalmas technikai kihívást jelent – hangsúlyozta Peter Kurczynski, a kísérleteket anyagilag támogató amerikai Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation) csillagászati szekciójának programvezetője. – A szóba jöhető zajforrások akár ezerszer erősebbek is lehetnek, mint a keresett jel. Olyan ez, mintha egy hurrikán kellős közepén próbálnánk meghallani egy kolibri szárnycsapkodását."

A világegyetem történetének korai epizódjába pillantottak bele

A kisebb asztalnyi méretű berendezés Nyugat-Ausztrália egy olyan félreeső területén található, ahol nem kell attól tartani, hogy az embertől származó rádiójelek elnyomják az univerzum távoli vidékeiről érkező kozmikus rádióhullámokat. Az antenna a teljes égboltot képes befogni, és eredetileg a 100 és 200 MHz közé eső jelek kifülelésére hangolták. Azonban a kutatók hiába vártak, ezen frekvenciatartományon nem sikerült érdemleges jelre bukkanniuk. Némi töprengés után rájöttek, hogy az elméleti modellek jóslata szerint az ősi hidrogén kibocsátotta jelek csak akkor esnének ebbe a tartományba, ha a gáz melegebb lett volna az őt körülvevő világűrnél. De mi van, ha hidegebb volt annál? A modellek alapján a hidegebb hidrogén inkább az 50 és 100 MHz közötti tartományban mutat elnyelést. „Amint erre az alacsonyabb frekvenciatartományra hangoltuk a rendszert, elkezdünk olyan dolgokat látni, amikről éreztük, hogy immár a valódi ujjlenyomathoz van közük" – mesélte Rogers. Konkrétan a 78 MHz körüli frekvencián észleltek egy „horpadást" az elnyelési spektrumon.

„Körülbelül 78 megahertznél láttuk a legerősebben ezt a beesést, és ez a frekvencia időben nagyjából az ősrobbanás utáni 180 millió évnek felel meg – kalkulál Rogers. – Ami a hidrogéngáztól magától eredő jelek közvetlen detektálását illeti, ez bizonyosan a legkorábbi, amit eddig fogtunk."

A horpadás a spektrumon nagyobb és mélyebb volt, mint ahogy az elméleti modellek jósolták, ami arra utal, hogy a hidrogéngáz hidegebb lehetett akkoriban a vártnál. Megerősíti viszont a rádióhullámok profilja az elméleti jóslatokat a tekintetben, hogy amit látunk, az valóban az első csillagoknak a hidrogénre gyakorolt hatását tükrözi. „Az elnyelés sajátos mintázata egyértelműen összekapcsolható az elsőként született csillagokkal. Az a sugárzás, amelynek nyomán a megfigyelt jel előállt, a legnagyobb valószínűséggel ezekből származhatott" – szögezte le Lonsdale.

Forrás: N.R.Fuller, National Science Foundation

„A mi életünkben már aligha fogunk tudni a csillagok történetében ennél korábbra visszapillantani – vélekedett a cikket első szerzőként jegyző Judd Bowman, az Arizonai Állami Egyetem csillagásza. – De ez a projekt már megmutatta, hogy az ígéretes új technika működik, és ezzel lefektette az alapokat a következő évtizedek további asztrofizikai felfedezései számára.”

A kutatók hangsúlyozzák: a most detektált jel a világegyetem fejlődésének olyan szakaszába enged bepillantanunk, amely eddig hozzáférhetetlen volt a mérések számára. „Ez azért izgalmas, mert először látunk bele az univerzum történetének egyik különlegesen fontos epizódjába, amikor az első csillagok és galaxisok formálódtak – tette hozzá végül Lonsdale. – Előttünk még senki sem gyűjtött közvetlen megfigyeléses adatokat ebből az időszakból.”