Dawno, dawno temu, zanim narodziły się pierwsze gwiazdy, cały Wszechświat był morzem ciemności. Tak, w historii Wszechświata miał miejsce okres, gdy nie istniała w nim najmniejsza ilość światła – okres zwany „ciemnymi wiekami”, który rozpoczął się 300 do 500 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu i trwał kilkaset milionów lat, zanim nastąpiła tak zwana era rejonizacji. Wówczas w kosmosie nie było ani gwiazd, ani planet, ani galaktyk, ani życia. Wypełniała go jedynie mgła atomów wodoru.
Teraz, teleskopy z całego świata próbują wykryć ślady wodoru, które tę mgłę tworzyły. W jakim celu? Po to, aby dokładnie określić, kiedy „ciemne wieki” (ang. Dark Ages) dobiegły ku końcowi, a we Wszechświecie pojawiły się pierwsze galaktyki. Chociaż te prastare cząsteczki wciąż pozostają nieuchwytne, pewien zespół badaczy zbliżył się do ich odkrycia bardziej niż ktokolwiek do tej pory.
Pierwsze atomy
Energia krążąca we wczesnym Wszechświecie była tak silna, że z czasem doprowadziła do obdarcia wszystkich jego atomów (atomów wodoru) z elektronów, nadając im dodatni ładunek elektryczny. W ciągu następnych setek tysięcy lat Wszechświat ochłodził się jednak i rozszerzył na tyle, że z czasem atomy wodoru odzyskały swoje elektrony, stając się ponownie neutralnymi atomami wodoru. Wówczas rozpoczęły się wspomniane „ciemne wieki”, podczas których neutralne atomy wodoru były dominującą częścią kosmosu. Z czasem, choć jeszcze nie wiadomo kiedy dokładnie, wystarczające ilości neutralnych atomów utworzyły skupiska, prowadząc do powstania pierwszych gwiazd, które spowodowały rejonizację Wszechświata dzięki emitowanemu przez siebie promieniowaniu.
Kosmiczne dochodzenie
Autorzy pracy, która w ubiegłym roku ukazała się na łamach czasopisma Astrophysical Journal, wykorzystali australijskie obserwatorium radiowe Murchison Widefield Array (MWA), by wejrzeć w kosmiczną przeszłość i zarejestrować promieniowanie radiowe o długości fali charakterystycznej dla neutralnego wodoru z „ciemnych wieków” Wszechświata. Chociaż nie udało im się tego dokonać, zamiast tego badacze zdołali określić górny limit siły sygnału „transmitowanego” przez taki wodór.
Aparatura radioteleskopu Murchison Widefield Array (MWA), zlokalizowanego w Australii. | Źródło: Wikimedia Commons/Pete Wheeler (CC BY 4.0)
„Możemy z pewnością stwierdzić, że jeśli sygnał neutralnego wodoru byłyby w jakimkolwiek stopniu silniejszy, niż limit ustalony w pracy, teleskop by go wykrył.”, powiedział jeden z uczonych, Jonathan Pober z Uniwersytetu Browna. Odkrycie oznacza, że polowanie na omawiane cząsteczki wciąż trwa, a także, że ich ślady są jeszcze trudniejsze do dostrzeżenia, niż uważano.
Nie lada komplikacje
Naukowcy wiedzą, że neutralny wodór emituje promieniowanie o długości fali 21 centymetrów. Niemniej, podczas gdy w ciągu ostatnich 13 miliardów lat Wszechświat się rozszerzał, wydłużały się też fale owego promieniowania. Autorzy pracy z Astrophysical Journal szacowali, że fala neutralnego wodoru rozciągnęła się aż do 2 metrów – dlatego też takiego sygnału „wypatrywali”. Niestety, problem tkwi w tym, że we Wszechświecie istnieje wiele źródeł promieniowania o podobnej długości.
„Wszystkie te inne źródła emitują sygnał o wiele, wiele silniejszy niż ten, który staramy się wykryć.”, stwierdził Pober. „Nawet sygnał ze stacji radiowej, który odbije się od samolotu i akurat przemknie nad teleskopem jest w stanie ‘zanieczyścić’ dane.”
Aby sobie z tym problem poradzić, badacze postanowili opracować zestaw równań, które pozwoliły na zidentyfikowanie „zanieczyszczeń” danych i ich usunięcie. Po wykonaniu w zakresie fal radiowych ponad 1200 zdjęć nieba uczeni ustalili, że każda zarejestrowana przez nich 2-metrowa emisja pochodziła z innych źródeł niż poszukiwany przez nich neutralny wodór.
Kangury na terenie Murchison Widefield Array (MWA). | Źródło: MWA Collaboration/Curtin University
Świetlana przyszłość
Chociaż neutralny wodór nadal pozostaje nieuchwytny, obserwacje przeprowadzone z pomocą MWA pozwoliły na określenie, jak powinny wyglądać dalsze jego poszukiwania. Kto wie, być może badacze są na właściwej ścieżce i już wkrótce uda im się poznać tajemnicę końca „ciemnych wieków” Wszechświata.
Co ważne, zespół, który w ubiegłym roku opublikował swój artykuł w Astrophysical Journal, analizuje kolejne dane pozyskiwane przez MWA, a tych jest bardzo dużo. Mowa bowiem o 3000 godzin danych emisyjnych. Dla porównania, do czasu napisania pracy z 2019 roku, badacze odfiltrowali „zanieczyszczenia” z zaledwie 21 godzin danych emisyjnych.
Źródło: Uniwersytet Waszyngtoński, Fot. tyt. Pixabay/WikiImages