O „șoaptă” slabă radio provenită de la hidrogenul antic dezvăluie că universul se încălzea cu mult înainte de a se umple de lumina stelelor, informează livescience.com.
Cu mult înainte ca lumina stelelor să umple cosmosul pentru prima dată, universul tânăr ar fi putut fi în fierbere, potrivit unui nou studiu.
Descoperirile sugerează că, la aproximativ 800 de milioane de ani după Big Bang, energia provenită de la găurile negre nou-născute și de la rămășițele primelor stele încălzea deja vaste nori de hidrogen intergalactic, oferind o privire rară asupra unui capitol în mare parte necunoscut al tinereții universului.
Rezultatele îi apropie, de asemenea, pe astronomi de detectarea unui semnal radio slab cunoscut sub numele de linia de hidrogen de 21 de centimetri, o amprentă evazivă care ar putea dezvălui proprietățile acelor stele primordiale și găuri negre care au reionizat cosmosul.
„Este una dintre cele mai neexplorate perioade din universul nostru”, a declarat pentru Live Science coautorul studiului, Ridhima Nunhokee, cercetător științific la Centrul Internațional pentru Cercetări în Radioastronomie din Perth, Australia. „Sunt atât de multe lucruri de învățat.”
Astronomii știu că universul a început într-o stare extrem de fierbinte și densă, Big Bang-ul, acum aproximativ 13,8 miliarde de ani, și apoi s-a răcit rapid pe măsură ce s-a extins. Aproximativ 400.000 de ani mai târziu, temperaturile au scăzut suficient pentru ca protonii și electronii să fuzioneze în atomi de hidrogen neutri, iar cosmosul a intrat în „epoca întunecată a cosmosului” — o perioadă lungă, lipsită de lumină, în care spațiul era acoperit de o ceață densă de hidrogen gazos.
Sute de milioane de ani mai târziu, primele generații de stele masive și galaxii tinere și slabe s-au aprins, emițând lumină ultravioletă intensă care a ars încet această ceață într-o perioadă de transformare cunoscută sub numele de Epoca Reionizării. Acest proces, care s-a încheiat la aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang, a făcut universul transparent și a permis luminii stelelor să călătorească liber prin spațiu pentru prima dată, marcând începutul cosmosului așa cum îl cunoaștem.
Cum arăta universul când a început să iasă din acele vremuri întunecate rămâne una dintre cele mai mari întrebări deschise ale astronomiei.
Noile descoperiri, detaliate într-un articol publicat pe 30 septembrie în The Astrophysical Journal, sugerează că, înainte ca universul să se „lumineze”, acesta nu era atât de rece pe cât prevăd multe modele. Prin restrângerea posibilităților privind aspectul cosmosului timpuriu, rezultatele oferă un indiciu important pentru înțelegerea modului în care primele stele și galaxii au început să-și remodeleze mediul, spun cercetătorii.
Ecourile universului
Deoarece observarea directă a primelor stele ale universului nu este posibilă – ele erau prea slabe, prea efemere și mult prea îndepărtate pentru a putea fi detectate chiar și de cele mai puternice telescoape –, astronomii caută în schimb amprentele subtile pe care aceste stele le-au lăsat în gazul de hidrogen care le înconjura.
În noul studiu, Nunhokee și echipa sa au analizat date colectate pe parcursul a aproape un deceniu de la Murchison Widefield Array, un puternic radiotelescop situat în deșertul îndepărtat din vestul Australiei, pentru a căuta un „șoaptă” radio slabă provenită de la acel hidrogen străvechi.
Semnalul apare atunci când singurul proton și electron al unui atom de hidrogen își inversează spinul unul față de celălalt — o schimbare minusculă care modifică energia atomului și îl determină să emită sau să absoarbă un foton la o lungime de undă specifică. Astronomii caută ecoul radio slab al acestei tranziții, care apare la o lungime de undă de 21 de centimetri — sau, pentru instrumentele noastre, la o frecvență de aproximativ 1,42 gigahertzi. Deoarece intensitatea semnalului este afectată de temperatura și mediul hidrogenului gazos din jur, acesta acționează ca un termometru cosmic, revelând modul în care primele stele și găuri negre au început să influențeze universul timpuriu.
Detectarea acestui semnal străvechi este însă extrem de dificilă. El este îngropat sub straturi de zgomot radio mult mai puternic provenit de la Calea Lactee, alte galaxii din apropiere, atmosfera Pământului și chiar de la telescopul însuși. Pentru a-l descoperi, echipa a dezvoltat o nouă tehnică de filtrare statistică pentru a elimina aceste semnale din prim-plan și a izola cea mai probabilă emisie de hidrogen datând de aproximativ 800 de milioane de ani după Big Bang.
Abordarea a produs cea mai clară hartă radio a universului timpuriu
Această nouă abordare a produs cea mai clară hartă radio a universului timpuriu și a stabilit cele mai stricte limite de până acum privind intensitatea semnalului de 21 de centimetri, a menționat echipa în studiu.
În ciuda faptului că s-a concentrat pe ceea ce Nunhokee a descris ca „un fel de zonă rece în care avem doar câteva surse” și a utilizat „cele mai bune date pe care le avem”, echipa nu a găsit dovezi ale semnalului revelator. „ „Pentru că este foarte slab, este foarte greu”, a spus ea.
După curățarea datelor, cercetătorii nu au văzut semnătura distinctivă care ar indica un „start rece” al reionizării. Această caracteristică ar fi fost vizibilă în datele lor dacă universul, la aproximativ 800 de milioane de ani după Big Bang, ar fi rămas rece până la aprinderea primelor stele, astfel încât rezultatul a sugerat că universul era mai cald decât se aștepta, potrivit studiului.
„Pe măsură ce universul a evoluat, gazul dintre galaxii s-a extins și s-a răcit, așa că ne-am aștepta să fie foarte, foarte rece”, a spus autoarea principală a studiului, Cathryn Trott, profesoară la Institutul Curtin de Radioastronomie, într-o declarație. „Măsurătorile noastre arată că este încălzit cel puțin într-o anumită măsură. Nu foarte mult, dar ne spune că reionizarea foarte rece este exclusă — ceea ce este foarte interesant.”
Modelele cosmologice indică razele X provenite de la găurile negre timpurii și rămășițele stelelor masive ca fiind probabilele responsabile de încălzirea gazului intergalactic cu mult înainte ca lumina vizibilă a stelelor să umple cosmosul, a spus Nunhokee.
Noua tehnică de curățare a datelor a echipei pune, de asemenea, bazele cruciale pentru viitorul Square Kilometre Array (SKA). Oamenii de știință spun că acest radiotelescop de ultimă generație, care se află în prezent în construcție în Australia și Africa de Sud, va avea sensibilitatea necesară pentru a detecta direct semnalul insesizabil de 21 de centimetri.
„Știm ce căutăm”, a spus Nunhokee. „Avem nevoie doar de câteva ore de date [de la SKA] care ne vor permite să ajungem la nivelurile dorite.”
Comentează