De første stjernene var sannsynligvis blå superkjemper. De sørget for at det kom lys i universet, og de påvirket bakgrunnsstrålingen.  (Illustrasjon: N.R.Fuller/National Science Foundation)
De første stjernene var sannsynligvis blå superkjemper. De sørget for at det kom lys i universet, og de påvirket bakgrunnsstrålingen. (Illustrasjon: N.R.Fuller/National Science Foundation)

Urgamle radiobølger avslører universets første stjerner

Om lag 180 millioner år etter big bang skrudde stjernene på lyset i universet, og det endret den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Nå har forskere klart å måle denne endringen, noe som kan gi mer informasjon om mørk materie.

Published

Historien kort

  • 180 millioner år etter Big Bang endret hydrogengassen i universet seg. Det viser nye målinger fra en uhyre følsom radioantenne.
  • Endringen kan skyldes at gassen ble utsatt for strålingen fra universets første stjerner.
  • Signalet er ikke som forventet, og det kan skyldes påvirkningen fra en spesiell form for mørk materie.

I mange millioner år var universet mørkt og kaldt. Bare den stadig svakere ettergløden fra big bang – den kosmiske bakgrunnsstrålingen – ga litt varme i et univers som stort sett besto av hydrogengass.

Men så begynte gassen å samle seg noen steder. Der gassen var tettest, falt den sammen under sin egen tyngdekraft, og de aller første stjernene oppsto.

Lyset ble skrudd på i universet.

Nå har amerikanske forskere funnet ut at det skjedde om lag 180 millioner år etter big bang.

Ved hjelp av en spesiell radioantenne i en ørken i Vest-Australia, langt fra støyende byer og trafikk, har de fanget opp et svakt radiosignal som stammer fra den perioden.

Forskerne har publisert resultatene sine i tidsskriftet Nature. 

Visste ikke hvor de skulle lede

De ultrafiolette strålene fra de første stjernene påvirket gassen i resten av universet.

Gassen kunne absorbere den delen av den kosmiske bakgrunnsstrålingen som hadde en bølgelengde på 21 centimeter, noe som svarer til en frekvens på 1420,4 MHz.

Det innebar at det ble mindre stråling ved denne bølgelengden, og det er akkurat det forskerne har observert.

Men det var vanskelig å finne ut av, for forskerne visste ikke hvor de skulle lete. I takt med universets utvidelse har bølgene nemlig blitt mye lengre.

Et nytt vindu til det tidlige universet

Det tok mange år med målinger før eksperimentet EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature) endelig kunne vise at signalet nå finnes ved en frekvens omkring 78 MHz.

Da kunne forskerne regne ut at det må være vel 13,6 milliarder år siden stjernene for alvor begynte å lyse opp universet – om lag 180 millioner år etter big bang.

– Dette svake signalet har åpnet et nytt vindu til det tidlige universet. Teleskoper kan ikke se langt nok til å fotografere så tidlige stjerner direkte, men ut fra radiobølger fra verdensrommet kan vi se når de ble antent, sier lederen av forskergruppen, Judd Bowman fra Arizona State Universty i USA, i en pressemelding fra National Science Foundation, som finansierte eksperimentet.

Tidligere enn forventet

Den ser ikke så imponerende ut, radioantennen midt i den australske ørkenen. Men den har sannsynligvis fanget stråling fra de første stjernene i universet. (Foto: CSIRO Australia)
Den ser ikke så imponerende ut, radioantennen midt i den australske ørkenen. Men den har sannsynligvis fanget stråling fra de første stjernene i universet. (Foto: CSIRO Australia)

– Målingen forteller hvordan nøytralt hydrogen oppførte seg i det tidlige universet – at det ble mindre av den på dette tidlige tidspunktet, sier Charles Steinhardt, som er forsker ved Niels Bohr-institutet ved Københavns Universitet, og som ikke har vært involvert i disse studiene.

– Det kan være fordi hydrogenet på dette tidlige tidspunktet ble ionisert av stråling fra stjerner, fortsetter han.

– Det er overraskende fordi andre målinger peker på et senere tidspunkt. Det er mulig at det ble dannet stjerner og galakser tidligere enn vi har trodd, men det er vanskelig å forklare hvordan de kunne være så tidlig ute.

Mørk materie har kanskje vært involvert

Det hører også med til historien at fallet i strålingen omkring 78 MHz var kraftigere enn forventet, og det krever en forklaring.

Det har professor Rennan Barkana fra Universitetet i Tel Aviv i Israel, og den kan man lese i en annen artikkel i tidsskriftet Nature.

Han mener at den kalde gassen ble avkjølt av enda kaldere mørk materie. Målingene gir nemlig mest mening hvis det var kaldere i det tidligere universet enn kosmologene hittil har trodd.

Hvis det er forklaringen, må den mørke materien bestå av partikler som ikke er altfor tunge – høyst et par ganger tyngre enn protoner.

En ny type mørk materie?

Astrofysikere og kosmologer har etter hvert god kontroll på universets historie. Nå vet de også at det var stjerner etter 180 millioner år. (Illustrasjon: N.R.Fuller/National Science Foundation)
Astrofysikere og kosmologer har etter hvert god kontroll på universets historie. Nå vet de også at det var stjerner etter 180 millioner år. (Illustrasjon: N.R.Fuller/National Science Foundation)

Ifølge fysikernes kosmologiske standardmodell, som kalles λCDM (lambda cold dark matter), påvirker den mørke materien bare vanlig materie gjennom tyngdekraften.

Men da ville den ikke kunne avkjøle hydrogengassen, så Barkana mener det også finnes en annen form for mørk materie.

– For å forklare målingene kan vi introdusere en ny type mørk materie. Det må nødvendigvis være partikler som fortsatt ikke er funnet i eksperimenter, for eksempel i partikkelakseleratorer, og det setter en rekke begrensninger på hva det kan være, sier Charles Steinhardt.

En kolibri i stormen

Men det er selvfølgelig også mulig at målingene er feil.

Forskerne arbeidet hardt for å skille signalet fra hydrogenet ut fra radiostøyen fra omgivelsene, instrumentet og resten av universet, og det har ikke vært enkelt.

De sammenligner eksperimentet med å fange opp lyden av vingene til en kolibri midt i en orkan.

Charles Steinhardt er heller ikke helt overbevist om at resultatet vil holde i lengden:

– De får et resultat som ser ut til å være statistisk signifikant, men det er bare så vidt. Det er en vanskelig måling, men etter hvert som forskerne får samlet mer data, vil signalet enten bli tydeligere eller forsvinne.

Bedre målinger kreves

Forskerne bak oppdagelsen og tolkningen av den er også klar over at nye målinger må til.

For å kartlegge fordeling av materie i det tidlige universet kreves tusenvis av radioantenner som arbeider sammen.

Her er det spesielt store forhåpninger til Square Kilometre Array, som skal bygges i Sør-Afrika og Australia.

Her forteller en representant fra det amerikanske grunnforskningsfondet National Science Foundation om det nye resultatet. (Video: NSF)

Referanse:

J.D. Bowman mfl: «An absorptin profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum». Nature (2018), DOI: 10.1038/nature25792 Sammendrag

R. Berkana: «Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars». Nature (2018), DOI: 10.1038/nature25791 Sammendrag

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.