Var galaxerna väldigt olika i det tidiga universum?

Var galaxerna väldigt olika i det tidiga universum?

Vintergatans galax på natthimlen ovanför HERA-nätverket. Teleskopet kan bara observera mellan april och september, när Vintergatan är under horisonten, eftersom galaxen producerar mycket radiobrus som stör detekteringen av den svaga strålningen från återjoniseringsepoken. Nätverket ligger i en lugn region där radioapparater, mobiltelefoner och till och med bensindrivna bilar är förbjudna. 1 poäng

En rad 350 radioteleskop i Sydafrikas Karooöken närmar sig att upptäcka “kosmisk gryning” – eran efter Big Bang när stjärnor först tändes och galaxer började blomma.

I en artikel som godkänts för publicering i The Astrophysical JournalHERA-teamet (Hydrogen Epoch of Reionization Array) rapporterar att det har fördubblat känsligheten hos arrayen, som redan var det känsligaste radioteleskopet i världen som ägnas åt att utforska denna unika period i historien om universum.

Även om de ännu inte har upptäckt radioemissioner från slutet av den kosmiska mörka tidsåldern, ger deras resultat ledtrådar till sammansättningen av stjärnor och galaxer i primitiva universum. I synnerhet tyder deras data på att tidiga galaxer innehöll mycket få element förutom väte och helium, till skillnad från våra galaxer idag.

När radioskålarna är helt online och kalibrerade, helst i höst, hoppas teamet kunna bygga en 3D-karta över de joniserade luftbubblorna och neutralt väte som de utvecklades från cirka 200 miljoner år sedan till cirka 1 miljard år efter Big Bang. Kartan kan berätta för oss hur de första stjärnorna och galaxerna skilde sig från de vi ser omkring oss idag, och hur universum som helhet såg ut i tonåren.

“Det går mot en potentiellt revolutionerande teknik inom kosmologi. När du väl kan uppnå den känslighet du behöver finns det så mycket information i datan”, säger University of Californias forskare Joshua Dillon. , Berkeley Department of Astronomy and Research. huvudförfattare till artikeln. “En 3D-karta över det mesta av den lysande materien i universum är målet för de kommande 50 åren eller mer.”

Andra teleskop tittar också in i det tidiga universum. Det nya rymdteleskopet James Webb (JWST) har nu fotograferat en galax som existerade cirka 325 miljoner år efter universums födelse under Big Bang. Men JWST kan bara se de ljusaste galaxerna som bildades under återjoniseringsepoken, inte de mindre utan mycket fler dvärggalaxer vars stjärnor värmde upp det intergalaktiska mediet och joniserade större delen av planeten vätgas.

HERA försöker detektera strålning från det neutrala väte som fyllde utrymmet mellan dessa tidiga stjärnor och galaxer, och i synnerhet att bestämma när detta väte slutade sända ut eller absorbera radiovågor eftersom det har blivit joniserat.

Det faktum att HERA-teamet ännu inte har upptäckt dessa bubblor av joniserat väte i kallt väte från den kosmiska mörka tidsåldern utesluter några teorier om stjärnutveckling i det tidiga universum.

Specifikt visar uppgifterna att de första stjärnorna, som kan ha bildats cirka 200 miljoner år efter Big Bang, innehöll få andra grundämnen än väte och helium. Detta skiljer sig från sammansättningen av stjärnor idag, som har en mängd olika så kallade metaller, den astronomiska termen för grundämnen som sträcker sig från litium till uran, som är tyngre än helium. Upptäckten överensstämmer med den nuvarande modellen av hur stjärnor och stjärnexplosioner producerade de flesta andra grundämnen.

“De första galaxerna måste ha varit väsentligt annorlunda än de galaxer vi observerar idag för att vi inte skulle ha sett en signal”, säger Aaron Parsons, chefsutredare för HERA och docent i astronomi vid UC Berkeley. “Särskilt måste deras röntgenegenskaper ha förändrats. Annars skulle vi ha upptäckt signalen vi letar efter.”

Atomsammansättningen av stjärnor i det tidiga universum avgjorde hur lång tid det tog att värma upp det intergalaktiska mediet när stjärnor började bildas. Nyckeln till detta är den högenergistrålning, främst röntgenstrålning, som produceras av dubbelstjärnor där man har kollapsat till ett svart hål eller neutronstjärna och gradvis äter upp sin följeslagare. Med få tunga grundämnen blåses mycket av medföljande massa bort istället för att falla ner i det svarta hålet, vilket innebär mindre röntgenstrålar och mindre uppvärmning av den omgivande regionen.

De nya uppgifterna matchar de mest populära teorierna om hur stjärnor och galaxer bildades efter Big Bang, men inte andra. Preliminära resultat av den första HERA-dataanalysen, som rapporterades för ett år sedan, föreslog att dessa alternativ, särskilt kalla återjonisering– var osannolika.

“Våra resultat kräver att gasen mellan galaxerna redan före återjonisering och upp till 450 miljoner år efter Big Bang måste ha värmts upp av röntgenstrålar. Dessa kom troligen från binära system där en stjärna tappar massa till förmån för en mörk följeslagare hål,” sa Dillon. “Våra resultat visar att i så fall måste dessa stjärnor ha haft mycket låg ‘metallicitet’, det vill säga väldigt lite d-element förutom väte och helium i förhållande till vår sol, vilket är vettigt eftersom vi pratar ungefär en tidsperiod i universum innan de flesta andra grundämnen bildades.”

Var galaxerna väldigt olika i det tidiga universum?

Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) består av 350 uppåtriktade skålar för att detektera 21-centimeters utsläpp från det tidiga universum. Den ligger i en radiotyst region i den torra Karoo i Sydafrika. 1 poäng

Återjoniseringens tidsålder

Universums ursprung i Big Bang för 13,8 miljarder år sedan producerade en kittel av energi och elementarpartiklar som svalnade i hundratusentals år innan protoner och elektroner inte kombineras för att bilda atomer, främst väte och helium. När de tittar upp mot himlen med känsliga teleskop har astronomer i detalj kartlagt de svaga temperatursvängningarna från den tiden – den så kallade kosmiska mikrovågsbakgrunden – bara 380 000 år efter Big Bang.

Bortsett från denna termiska relikstrålning var emellertid det tidiga universum mörkt. När universum expanderade, bildade aggregationen av materia galaxer och stjärnor, som i sin tur producerade strålning – ultraviolett och röntgenstrålning – som värmde upp gasen mellan stjärnorna. Vid något tillfälle började vätet joniseras – det förlorade sin elektron – och bildade bubblor i det neutrala vätet, vilket markerade början på återjoniseringens epok.

För att kartlägga dessa bubblor fokuserar HERA och flera andra experiment på en våglängd av ljus som neutralt väte absorberar och avger, men joniserat väte inte. Kallas 21-centimeterslinjen (en frekvens på 1 420 megahertz), den produceras av den hyperfina övergången, under vilken elektronens och protonens spinn växlar från parallella till antiparallella. Joniserat väte, som förlorat sin enda elektron, varken absorberar eller avger denna radiofrekvens.

Sedan återjoniseringstiden har linjen på 21 centimeter rödförskjutits genom universums expansion till en våglängd 10 gånger längre, eller cirka 2 meter eller 6 fot. HERA:s ganska enkla antenner, en konstruktion av hönsnät, PVC-rör och telefonstolpar, är 14 meter i diameter för att samla in och fokusera denna strålning på detektorer.

“Vid en våglängd av två meter är en kycklingnät en spegel,” sa Dillon. “Och alla sofistikerade saker, så att säga, finns i backend av superdatorn och all dataanalys som följer.”

Den nya analysen baseras på 94 observationsnätter under 2017 och 2018 med ett 40-tal antenner – fas 1 av nätet. Förra årets preliminära analys baserades på 18 nätter av fas 1-observationer.

Huvudresultatet av det nya dokumentet är att HERA-teamet förbättrade gittrets känslighet med en faktor 2,1 för ljus som sänds ut cirka 650 miljoner år efter Big Bang (en rödförskjutning, eller ökad våglängd, 7,9) och 2,6 för strålning som sänds ut cirka 450 miljoner år efter Big Bang (rödförskjutning på 10,4).

HERA-teamet fortsätter att förbättra teleskopkalibrering och dataanalys i hopp om att se dessa bubblor i det tidiga universum, som är ungefär en miljondel av intensiteten av radiobrus i närheten av jorden. Det har inte varit lätt att filtrera bort lokalt radiobrus för att se strålning från det tidiga universum.

“Om det är schweizisk ost, det galaxer gör hålen och vi går för osten, säger David Deboer, en forskningsastronom vid UC Berkeleys Radio Astronomy Laboratory.

Dillon utvidgade dock denna analogi: “Vad vi gjorde var att vi sa att osten skulle vara varmare än om ingenting hade hänt. Om osten var riktigt kall skulle det visa sig att det skulle vara lättare att observera denna ojämlikhet än om osten var riktigt kall. osten var varm.”

Detta utesluter främst teorin om kall återjonisering, som postulerade en kallare utgångspunkt. Istället misstänker HERA-forskare att röntgenstrålar från binära röntgenstjärnor först värmde upp det intergalaktiska mediet.

“Röntgenstrålarna kommer effektivt att värma upp hela ostblocket innan hålen bildas,” sa Dillon. “Och de där hålen är de joniserade bitarna.”

“HERA fortsätter att förbättras och sätter gränser bättre och bättre”, sa Parsons. “Det faktum att vi kan fortsätta framåt och ha nya tekniker som fortsätter att löna sig för vårt teleskop är fantastiskt.”

HERA-samarbetet leds av UC Berkeley och inkluderar forskare från Nordamerika, Europa och Sydafrika.

Mer information:
HERA Collaboration, Enhanced Constraints on the 21cm EoR Power Spectrum och IGM X-ray Heating med HERA Phase I Observations, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2210.04912

Citat: Var galaxerna väldigt olika i det tidiga universum? (2023, 24 januari) hämtad 25 januari 2023 från https://phys.org/news/2023-01-galaxies-early-universe.html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Utom för skäligt bruk för privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast för information.

Leave a Comment