Urgamle radiobølger afslører universets første stjerner
Cirka 180 millioner år efter Big Bang tændte stjernerne lyset i universet, og strålingen fra dem ændrede den kosmiske baggrundsstråling. Nu er det lykkedes at måle denne ændring, som måske kan gøre os klogere på mørkt stof.
De første stjerner

De første stjerner var sandsynligvis blå superkæmper. De sørgede for, at der kom lys i universet, og de påvirkede baggrundsstrålingen. (Illustration: N.R.Fuller/National Science Foundation)

I de første mange millioner år var universet mørkt og koldt. Kun den stadig svagere efterglød af Big Bang – den kosmiske baggrundsstråling – gav en smule varme i et univers, som mest bestod af brintgas.

Men så begyndte gassen at samle sig rundt omkring. Hvor gassen var tættest, faldt den sammen under sin egen masse, og de allerførste stjerner opstod.

Lyset blev tændt i universet.

Nu har amerikanske forskere fundet ud af, at det kosmiske daggry brød frem cirka 180 millioner år efter Big Bang.

Ved hjælp af en speciel radioantenne placeret i en ørken i det vestlige Australien, langt fra civilisationens støjkilder, har de opfanget et svagt radiosignal, der stammer helt tilbage fra dengang.

Det fremgår af en artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Historien kort
  • 180 millioner år efter Big Bang ændrede brintgassen i universet sig. Det viser nye målinger fra en uhyre følsom radioantenne.
  • Ændringen kan skyldes, at gassen blev udsat for strålingen fra universets første stjerner.
  • Signalet er ikke som forventet, og det kan skyldes påvirkningen fra særlig form for mørkt stof.

Vidste ikke præcis, hvor de skulle lede

De ultraviolette stråler fra de første stjerner påvirkede den omkringliggende gas.

Den blev i stand til at absorbere den del af den kosmiske baggrundsstråling, der havde en bølgelængde på 21 cm, svarende til en frekvens på 1.420,4 MHz.

Det betød, at der blev mindre stråling ved denne bølgelængde, og det er præcis, hvad forskerne har målt.

Opgaven med at måle strålingen blev dog ikke just nemmere af, at forskerne ikke vidste præcis, hvor de skulle lede. I takt med universets udvidelse er bølgerne nemlig blevet meget længere og frekvensen omvendt mindre.

Et nyt vindue til det tidlige univers

Det tog mange års målinger, før eksperimentet EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature) endelig kunne vise, at signalet nu findes ved en frekvens omkring 78 MHz.

Derudfra kunne forskerne regne ud, at det må være godt 13,6 milliarder år siden, stjerner for alvor begyndte at oplyse universet – cirka 180 millioner år efter Big Bang.

»Fundet af dette svage signal har åbnet et nyt vindue til det tidlige univers. Teleskoper kan ikke se langt nok til at fotografere så tidlige stjerner direkte, men ud fra radiobølger fra rummet kan vi se, hvornår de blev antændt,« siger lederen af forskergruppen, Judd Bowman fra Arizona State Universty i USA, i en pressemeddelelse fra National Science Foundation, der finansierede eksperimentet.

EDGES eksperiment

Den ser ikke ud af meget, radioantennen midt i den australske ørken. Men den har sandsynligvis fanget stråling, der skyldes de første stjerner i universet. (Foto: CSIRO Australia)

Tidligere end forventet

»Målingen fortæller, hvordan neutral brint opførte sig i det tidlige univers – at der blev mindre af den på dette tidlige tidspunkt,« siger Charles Steinhardt, som er adjunkt på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og som ikke selv har været involveret i de aktuelle studier.

»Det kan være fordi brinten på dette tidlige tidspunkt blev ioniseret af stråling fra stjerner,« fortsætter han.

»Det er overraskende, fordi andre målinger peger på et senere tidspunkt. Det er muligt, at der blev dannet stjerner og galakser tidligere, end vi har troet, men det er svært at forklare, hvordan de kunne være så tidligt på den.«

Mørkt stof har måske været på spil

Det hører også med til historien, at dykket i strålingen omkring de 78 MHz var dybere end forventet, og det kræver en forklaring.

Sådan en har professor Rennan Barkana fra universitet i Tel Aviv, og den kan man læse i en anden artikel i Nature.

Han mener, at den kolde, kosmiske gas blev afkølet af endnu koldere mørkt stof. Målingerne giver nemlig bedst mening, hvis der var koldere i det tidligere univers, end kosmologerne hidtil har ment.

Hvis en særlig form for mørkt stof er forklaringen på, at gassen i det tidlige univers tilsyneladende var koldere end forventet, må det mørke stof bestå af partikler, der ikke er alt for tunge – højst nogle gange tungere end protoner.

Universets historie

Astrofysikere og kosmologer har efterhånden godt tjek på universets historie. Nu ved de også, at der var stjerner efter 180 millioner år. (Illustration: N.R.Fuller/National Science Foundation)

En ny slags mørkt stof?

Ifølge fysikernes kosmologiske standardmodel, der kaldes ΛCDM (lambda cold dark matter), påvirker det mørke stof kun det velkendte stof gennem tyngdekraften.

Men så ville det mørke stof ikke have været i stand til at afkøle brintgassen, så Rennan Barkana foreslår en anden form for mørkt stof, der også vekselvirker med almindelige atomer på en anden måde.

»For at forklare målingerne, kan man introducere en ny slags mørkt stof. Det må nødvendigvis være partikler, der endnu ikke er fundet i eksperimenter, for eksempel i partikelacceleratorer, og det sætter en række begrænsninger på, hvad det kan være,« siger Charles Steinhardt.

En kolibri i stormvejr

Men der er selvfølgelig også den mulighed, at måleresulatet er forkert.

Forskerne har gjort sig store anstrengelser for at skille signalet fra brinten ud fra radiostøjen fra omgivelserne, instrumentet selv og resten af universet, og det har ikke været nemt.

De sammenligner eksperimentet med at opfange lyden af en kolibris vinger midt i en orkan.

Charles Steinhardt lyder da heller ikke helt overbevist om, at resultatet vil holde i længden:

»De får et resultat, der lader til at være statistisk signifikant, omend det er på et hængende hår. Det er en vanskelig måling at foretage, men efterhånden som forskerne får samlet mere data, vil signalet enten blive tydeligere eller forsvinde.«

Bedre målinger skal der til

Forskerne bag opdagelsen og tolkningen af den er da også klar over, at der skal nye og mere præcise målinger til, før vi for alvor kan trække information ud af radiobølgerne fra det kosmiske daggry.

Hvis man ikke blot skal afsløre, hvornår de første stjerner dukkede op, men også vil kortlægge stoffets fordeling i det tidlige univers, skal man bruge et langt større anlæg med tusindvis af radioantenner, der arbejder sammen.

Her er der specielt store forhåbninger til det kæmpemæssige Square Kilometre Array, som skal bygges i Sydafrika og Australien. Det kan man læse mere om i artiklen Verdens største teleskop skal afsløre universets historie.

Her fortæller en repræsentant fra den amerikanske grundforskningsfond National Science Foundation om det nye resultatet. (Video: NSF)

Ugens Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.