Nó có khả năng là một trong những khám phá thiên văn thú vị nhất của thập kỷ. Các nhà thiên văn học đã phát hiện tín hiệu từ các ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ.
Bởi Karl Glazebrook, Đại học Công nghệ Swinburne
Một tín hiệu gây ra bởi những ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ đã được thu nhận bởi một kính viễn vọng vô tuyến nhỏ nhưng rất chuyên dụng ở sa mạc Tây Úc xa xôi.
Chi tiết phát hiện được tiết lộ trong một bài báo xuất bản ngày 28 tháng 2 năm 2018, trong Thiên nhiênvà nói với chúng ta những ngôi sao này chỉ hình thành sau 180 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Nó có khả năng là một trong những khám phá thiên văn thú vị nhất của thập kỷ. Một giây Thiên nhiên bài báo, cũng được xuất bản vào ngày 28 tháng 2, liên kết việc tìm ra bằng chứng có thể được phát hiện đầu tiên rằng vật chất tối, được cho là tạo ra phần lớn vũ trụ, có thể tương tác với các nguyên tử thông thường.
Điều chỉnh tín hiệu
Phát hiện này được thực hiện bởi một ăng ten vô tuyến nhỏ hoạt động trong dải tần 50-100 Mhz, chồng lấp một số đài phát thanh FM nổi tiếng (đó là lý do tại sao kính viễn vọng nằm ở sa mạc WA xa xôi).
Những gì đã được phát hiện là sự hấp thụ ánh sáng bởi khí hydro nguyên tử trung tính, chứa đầy vũ trụ sơ khai sau khi nó nguội đi từ plasma nóng của Vụ nổ lớn.
Vào thời điểm này (180 triệu năm sau Vụ nổ lớn), vũ trụ sơ khai đang mở rộng, nhưng các khu vực dày đặc nhất của vũ trụ đang sụp đổ dưới lực hấp dẫn để tạo ra những ngôi sao đầu tiên.
Một dòng thời gian của vũ trụ, được cập nhật để hiển thị khi những ngôi sao đầu tiên xuất hiện sau 180 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Hình ảnh qua N.R. Fuller, Quỹ khoa học quốc gia.
Sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên có tác động mạnh mẽ đến phần còn lại của vũ trụ. Bức xạ cực tím từ chúng đã thay đổi spin electron trong các nguyên tử hydro, khiến nó hấp thụ phát xạ vô tuyến nền của vũ trụ ở tần số cộng hưởng tự nhiên là 1.420 MHz, tạo ra một bóng tối để nói.
Bây giờ, 13 tỷ năm sau, cái bóng đó sẽ được mong đợi với tần suất thấp hơn nhiều vì vũ trụ đã mở rộng gần 18 lần trong thời gian đó.
Một kết quả sớm
Các nhà thiên văn học đã dự đoán hiện tượng này trong gần 20 năm và tìm kiếm nó trong 10 năm. Không ai biết tín hiệu sẽ mạnh đến mức nào hoặc ở tần số nào để tìm kiếm.
Dự kiến nhiều nhất sẽ mất một vài năm nữa sau năm 2018.
Nhưng cái bóng được phát hiện ở tần số 78 MHz bởi một nhóm do nhà thiên văn học Judd Bowman từ Đại học bang Arizona dẫn đầu.
Thật đáng ngạc nhiên việc phát hiện tín hiệu vô tuyến trong năm 2015-2016 được thực hiện bởi một máy bay nhỏ (thí nghiệm EDGES), chỉ có kích thước vài mét, kết hợp với hệ thống thu và phát tín hiệu vô tuyến rất thông minh. Nó chỉ được xuất bản sau khi kiểm tra nghiêm ngặt.
Máy quang phổ vô tuyến mặt đất EDGES, Đài quan sát thiên văn vô tuyến CSIRO, Murchison ở Tây Úc. Hình ảnh qua CSIRO.
Đây là khám phá thiên văn quan trọng nhất kể từ khi phát hiện ra sóng hấp dẫn vào năm 2015. Những ngôi sao đầu tiên đại diện cho sự khởi đầu của mọi thứ phức tạp trong vũ trụ, khởi đầu của hành trình dài đến các thiên hà, hệ mặt trời, hành tinh, sự sống và bộ não.
Phát hiện chữ ký của họ là một cột mốc quan trọng và xác định chính xác thời gian hình thành của họ là một phép đo quan trọng đối với vũ trụ học.
Đây là một kết quả tuyệt vời. Nhưng nó trở nên tốt hơn và thậm chí còn bí ẩn và thú vị hơn.
Một nghệ sĩ khác vẽ lại cách các ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ có thể trông như thế nào. Hình ảnh qua N.R. Fuller, Quỹ khoa học quốc gia.
Bằng chứng về vật chất tối?
Tín hiệu mạnh gấp đôi so với dự kiến, đó là lý do tại sao nó được phát hiện sớm như vậy. Trong lần thứ hai Thiên nhiên Nhà nghiên cứu thiên văn học Rennan Barkana, từ Đại học Tel Aviv, cho biết khá khó để giải thích tại sao tín hiệu này quá mạnh, vì nó cho chúng ta biết khí hydro vào thời điểm này lạnh hơn đáng kể so với dự kiến trong mô hình tiến hóa vũ trụ tiêu chuẩn.
Các nhà thiên văn học muốn giới thiệu các loại vật thể kỳ lạ mới để giải thích mọi thứ (ví dụ: các ngôi sao siêu lớn, các lỗ đen) nhưng những thứ này thường tạo ra bức xạ làm cho mọi thứ nóng hơn thay vào đó.
Làm thế nào để bạn làm cho các nguyên tử lạnh hơn? Bạn phải đặt chúng tiếp xúc nhiệt với một thứ thậm chí lạnh hơn, và nghi ngờ khả thi nhất là thứ được gọi là vật chất tối lạnh.
Vật chất tối lạnh là nền tảng của vũ trụ học hiện đại. Nó được giới thiệu vào những năm 1980 để giải thích cách các thiên hà quay - chúng dường như quay nhanh hơn nhiều so với những ngôi sao có thể nhìn thấy và cần một lực hấp dẫn thêm.
Bây giờ chúng tôi nghĩ rằng vật chất tối phải được tạo ra từ một loại hạt cơ bản mới. Có vật chất tối gấp sáu lần vật chất thông thường và nếu nó được làm từ các nguyên tử bình thường, Big Bang sẽ trông khá khác so với những gì được quan sát.
Về bản chất của hạt này và khối lượng của nó, chúng ta chỉ có thể đoán.
Vì vậy, nếu vật chất tối lạnh thực sự va chạm với các nguyên tử hydro trong vũ trụ sơ khai và làm mát chúng, thì đây là một bước tiến lớn và có thể khiến chúng ta tìm ra bản chất thực sự của nó. Đây sẽ là lần đầu tiên vật chất tối chứng minh bất kỳ tương tác nào khác ngoài trọng lực.
Ở đây có ‘nhưng Một lưu ý thận trọng được bảo hành. Tín hiệu hydro này rất khó phát hiện: nó mờ hơn hàng nghìn lần so với nhiễu vô tuyến nền ngay cả đối với vị trí xa xôi ở Tây Úc. Các tác giả đầu tiên Thiên nhiên giấy đã dành hơn một năm để thực hiện vô số bài kiểm tra và kiểm tra để đảm bảo rằng họ đã không phạm sai lầm. Độ nhạy của không khí của chúng cần được hiệu chỉnh một cách tinh tế trên toàn bộ băng thông. Phát hiện này là một thành tựu kỹ thuật ấn tượng nhưng các nhà thiên văn học trên toàn thế giới sẽ nín thở cho đến khi kết quả được xác nhận bởi một thí nghiệm độc lập. Nếu nó được xác nhận thì điều này sẽ mở ra cánh cửa cho một cửa sổ mới trên vũ trụ sơ khai và có khả năng hiểu biết mới về bản chất của vật chất tối bằng cách cung cấp một cửa sổ quan sát mới cho nó. Tín hiệu này đã được phát hiện đến từ toàn bộ bầu trời, nhưng trong tương lai nó có thể được ánh xạ trên bầu trời và các chi tiết về cấu trúc trong bản đồ sẽ cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin hơn về các tính chất vật lý của vật chất tối. Quan sát thêm sa mạc Hôm nay các ấn phẩm là một tin tức thú vị cho nước Úc nói riêng. Tây Úc là khu vực yên tĩnh nhất trên thế giới và sẽ là địa điểm chính cho các quan sát lập bản đồ trong tương lai. Murchison Widefield Array đang hoạt động ngay bây giờ và các bản nâng cấp trong tương lai có thể cung cấp chính xác bản đồ như vậy. Một trong 128 viên gạch của kính thiên văn Murchison Widefield Array (MWA). Hình ảnh qua Flickr / Văn phòng SKA Úc / Bộ Thương mại WA. Đây cũng là một mục tiêu khoa học lớn của Array Kilometre trị giá hàng tỷ đô la, nằm ở Tây Úc, có thể cung cấp những bức ảnh có độ trung thực cao hơn nhiều về thời đại này. Thật vô cùng thú vị khi mong chờ một thời gian chúng ta sẽ có thể tiết lộ bản chất của những ngôi sao đầu tiên và có một cách tiếp cận mới thông qua thiên văn vô tuyến để giải quyết vật chất tối, cho đến nay vẫn tỏ ra khó hiểu. 
Karl Glazebrook, Giám đốc & Giáo sư xuất sắc, Trung tâm Vật lý thiên văn & Siêu máy tính, Đại học Công nghệ Swinburne
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.
Điểm mấu chốt: Các nhà thiên văn học đã phát hiện tín hiệu từ những ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ.