Big Bang kan ha vært lyst og dramatisk, men umiddelbart etter det ble universet mørkt, og i veldig lang tid. Forskere mener at de første stjernene dukket opp i en gjørmete buljong av materie 200 millioner år etter den varme starten. Siden moderne teleskoper ikke er følsomme nok til å observere lyset fra disse stjernene direkte, ser astronomer etter indirekte bevis på deres eksistens.
Og så klarte et team av forskere å hente et svakt signal fra disse stjernene ved hjelp av en radioantenne kalt EDGES. Spektakulære målinger som åpner et nytt vindu i det tidlige universet, viser at disse stjernene dukket opp 180 millioner år etter Big Bang. Arbeidet publisert i Nature antyder også at forskere kan tenke nytt hva "mørk materie" - en mystisk type usynlig materie - er laget av.
Modeller viste at de første stjernene som opplyste universet var blå og kortvarige. De senket universet i et bad med ultrafiolett lys. Det aller første observerbare signalet fra denne kosmiske soloppgangen har lenge vært tenkt på som et "absorpsjonssignal" - et fall i lysstyrke ved en bestemt bølgelengde - forårsaket av passering av lys og som påvirker de fysiske egenskapene til skyer av hydrogengass, det vanligste elementet i universet.
Vi vet at dette fallet skal oppdages i radiobølgedelen av det elektromagnetiske spekteret ved en bølgelengde på 21 cm.
Kompleks måling
Kampanjevideo:
I begynnelsen var det en teori som spådde alt dette. Men i praksis er det ekstremt vanskelig å finne et slikt signal. Dette er fordi den fletter seg sammen med mange andre signaler i denne regionen av spekteret som er mye sterkere - for eksempel de vanlige frekvensene for radiosendinger og radiobølger fra andre hendelser i vår galakse. Årsaken til at forskerne lyktes var delvis fordi eksperimentet var utstyrt med en sensitiv mottaker og en liten antenne, noe som gjorde det mulig å dekke et stort område av himmelen relativt enkelt.
For å forsikre seg om at noe lysstyrkefall de fant på grunn av stjernelyset i det tidlige universet, så forskerne på Doppler-skiftet. Du er kjent med denne effekten ved å senke tonehøyde når en bil med blinker og sirene går forbi deg. Når galakser beveger seg vekk fra oss på grunn av utvidelsen av universet, skifter lys også mot røde bølgelengder. Astronomer kaller denne effekten for”redshift”.
Redshift forteller forskere hvor langt en sky av gass er fra jorden og hvor lenge siden, etter kosmiske standarder, ble det sendt ut lys fra den. I dette tilfellet vil ethvert skift i lysstyrke som forventes ved 21 cm bølgelengde indikere gassbevegelse og avstand. Forskere målte lysfallet som skjedde i forskjellige kosmiske tidsperioder, til øyeblikket da universet bare var 180 millioner år gammelt, og sammenlignet det med dets nåværende tilstand. Det var lyset fra de aller første stjernene.
Hei mørk sak
Historien slutter ikke der. Forskere ble overrasket over å finne at signalamplituden var dobbelt så stor som forutsagt. Dette antyder at hydrogengassen var mye kaldere enn forventet fra mikrobølgeovnens bakgrunn.
Disse resultatene ble publisert i en annen artikkel i Nature og kastet en agnkrok for teoretiske fysikere. Dette er fordi det blir klart fra fysikk at gass på denne tiden av universets eksistens var lett å varme opp, men vanskelig å avkjøle. For å forklare den ekstra kjøling som var forbundet med signalet, måtte gassen samhandle med noe enda kaldere. Og det eneste kaldere enn kosmisk gass i det tidlige universet var mørk materie. Teoretikere må nå bestemme om de kan utvide standardmodellen for kosmologi og partikkelfysikk for å forklare dette fenomenet.
Vi vet at det er fem ganger mer mørk materie enn vanlig materie, men vi vet ikke hva den er laget av. Flere varianter av partikler er blitt foreslått som kan utgjøre mørk materie, og favoritten blant dem er den svakt interagerende massive partikkelen (WIMP).
Den nye studien antyder imidlertid at den mørke materiepartikkelen ikke skal være mye tyngre enn protonen (som kommer inn i atomkjernen sammen med nøytronen). Dette er godt under massene som er spådd for WIMP. Analysen antyder også at mørk materie er kaldere enn forventet, og åpner for en fascinerende mulighet til å bruke "21 cm kosmologi" som en sonde for mørk materie i universet. Ytterligere funn med mer følsomme mottakere og mindre forstyrrelser fra jordbasert radio kan avsløre flere detaljer om naturen til mørk materie og kanskje til og med indikere hastigheten den beveger seg på.
Ilya Khel
