Ανακαλύφθηκαν ίχνη των πρώτων άστρων που έλαμψαν στο σύμπαν. Unlocking the secrets of the universe

Πριν από περίπου 13,8 δισ. χρόνια. This artist's rendering shows the universe's first, massive, blue stars embedded in gaseous filaments, with the cosmic microwave background just visible at the edges. Using radio observations of the distant universe, NSF-funded researchers Judd Bowman of Arizona State University, Alan Rogers of MIT and their colleagues discovered the influence of such early stars on primordial gas. Although they can't directly see the light from the massive stars, Bowman's team was able to infer their presence from dimming of the cosmic microwave background (CMB), a result of the gaseous filaments absorbing the stars' UV light. The CMB is dimmer than expected, indicating that the filaments may have been colder than expected, possibly from interactions with dark matter. Credit: N.R.Fuller, National Science Foundation

Τα χημικά «δαχτυλικά αποτύπωματα» των πρώτων-πρώτων άστρων που έλαμψαν στο σύμπαν, ανακάλυψαν για πρώτη φορά οι επιστήμονες.

Η ανακάλυψη έγινε με τη βοήθεια ενός μικρού ραδιοτηλεσκοπίου στην Αυστραλία, το οποίο ανίχνευσε τα αρχαιότερα ίχνη από αυτά τα άστρα της κοσμικής «αυγής», καθώς το φως τους αλληλεπιδρούσε με τα αέρια υδρογόνου που τα περιέβαλε.

A timeline of the universe, updated to show when the first stars emerged. This updated timeline of the universe reflects the recent discovery that the first stars emerged by 180 million years after the Big Bang. The research behind this timeline was conducted by Judd Bowman of Arizona State University and his colleagues, with funding from the National Science Foundation. Credit: N.R.Fuller, National Science Foundation

Τα ίχνη αυτά χρονολογούνται μόλις 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη δημιουργία του σύμπαντος με τη «Μεγάλη Έκρηξη» (Μπιγκ Μπανγκ) πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Παραμένει άγνωστο αν υπήρχαν κάποια άστρα ακόμη παλαιότερα.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον αστρονόμο και κοσμολόγο Δρ Τζουντ Μπάουμαν του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο Nature, έκαναν λόγο για μεγάλης σημασίας ανακάλυψη, καθώς εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες αναζητούν ενδείξεις από τον πρώτο πληθυσμό άστρων και τώρα φαίνεται πώς το πέτυχαν, έστω και έμμεσα (μέσω του υδρογόνου), αφού αυτά τα άστρα έχουν καταστραφεί προ πολλού.

Σύμφωνα με την κυρίαρχη αστροφυσική θεωρία, τα αρχέγονα αυτά γιγάντια άστρα μπλε χρώματος δημιουργήθηκαν από ψυχρές μάζες αέριου υδρογόνου, που ήταν διάχυτο στο σύμπαν μετά τη δημιουργία του. Οι ζωές τους ήσαν σύντομες και με το εκρηκτικό τέλος της ζωής τους διέσπειραν στο σύμπαν τα χημικά στοιχεία που είχαν γεννηθεί στο εσωτερικό τους και χάρη στα οποία υπάρχουμε εμείς σήμερα και κάθε άλλη μορφή ζωής.

In each instrument, radio waves are collected by an antenna consisting of two rectangular metal panels mounted horizontally on fiberglass legs above a metal mesh. The EDGES detection required the radio quietness at the Murchison Radio-astronomy Observatory, as Australian national legislation limits the use of radio transmitters near the site. This discovery sets the stage for follow-up observations with other powerful low-frequency facilities, including HERA and the forthcoming SKA-low. Credit: CSIRO Australia

Το υπεριώδες φως αυτών των άστρων αλληλεπίδρασε με τα γύρω νέφη υδρογόνου και τα διήγειρε με τρόπο που να απορροφούν την ραδιοακτινοβολία υποβάθρου στη συγκεκριμένη συχνότητα των 1,4 gigahertz. Αυτό ήταν ακριβώς το σήμα που «έπιασε» το αυστραλιανό ραδιοτηλεσκόπιο Murchison, αν και με το πέρασμα του χρόνου το ραδιοσήμα είχε τροποποιηθεί και ανιχνεύθηκε στην πολύ χαμηλότερη συχνότητα των 78 megahertz.

Από την ανάλυση του σήματος, οι επιστήμονες συμπέραναν ότι τα νέφη αρχέγονου υδρογόνου ήσαν πολύ ψυχρότερα από ό,τι θεωρείτο έως τώρα, με θερμοκρασίες μείον 270 βαθμών Κελσίου. Μια πιθανή εξήγηση γι' αυτό είναι ότι τα άτομα υδρογόνου στο πρώιμο σύμπαν αλληλεπιδρούσαν άμεσα με τη λεγόμενη «σκοτεινή ύλη».

When did the first stars light up the universe? When did they light up the universe? After 12 years of experimental effort, a team of scientists has detected the fingerprints of the earliest stars in the universe. Find out how they did it!  Credit: National Science Foundation

Αν αυτό όντως ισχύει, τότε η ανακάλυψη έχει διπλή σημασία, καθώς αποτελεί άλλη μια ένδειξη για την ύπαρξη αυτής της μυστηριώδους μορφής ύλης, που δεν εκπέμπει φως και δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα, αλλά μόνο μέσω της έμμεσης βαρυτικής επιρροής που ασκεί στην κίνηση των γαλαξιών. Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι υπάρχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλλά δεν τα έχουν βρει ακόμη.

Άλλοι επιστήμονες χαρακτήρισαν την ανακάλυψη των «αποτυπωμάτων» των πρώτων άστρων ως «επαναστατική» και περιμένουν να επιβεβαιωθεί από νέες παρατηρήσεις, προσδοκώντας έτσι να ανοίξουν ένα νέο παράθυρο για την κατανόηση του νηπιακού σύμπαντος.

Πηγές: Judd D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25792 - http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=947237