Kosmiczny Świt: Jak fale radiowe ujawniają narodziny pierwszych gwiazd
Kosmiczny Świt to moment, gdy powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki, rozświetlając Wszechświat. Jednak ich bezpośrednia obserwacja jest dziś niemożliwa, co stanowi duże wyzwanie dla astronomów.
 |
| Na zdjęciu widać głębokie pole galaktyk, w którym znajdują się tysiące galaktyk o różnych kształtach i rozmiarach. Źródło: ESA/Webb, NASA, ESA, CSA |
Teraz międzynarodowa grupa astronomów pod przewodnictwem Uniwersytetu w Cambridge wykazała, że będziemy w stanie dowiedzieć się o masach najwcześniejszych gwiazd, badając specyficzny sygnał radiowy – wytworzony przez atomy wodoru wypełniające luki między obszarami formowania się gwiazd – który powstał zaledwie sto milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Badając, w jaki sposób pierwsze gwiazdy i ich pozostałości wpłynęły na ten sygnał, zwany sygnałem o długości fali 21 centymetrów, naukowcy wykazali, że przyszłe radioteleskopy pomogą nam zrozumieć bardzo wczesny Wszechświat i to, jak przekształcił się on z niemal jednorodnej masy głównie wodoru w niesamowitą złożoność, którą widzimy dzisiaj. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.
To wyjątkowa okazja, aby dowiedzieć się, jak pierwsze światło Wszechświata wyłoniło się z ciemności – powiedziała współautorka profesor Anastasia Fialkov z Instytutu Astronomii w Cambridge. Przejście od zimnego, ciemnego Wszechświata do tego wypełnionego gwiazdami to historia, którą dopiero zaczynamy rozumieć.
Badania najstarszych gwiazd we Wszechświecie opierają się na słabym blasku sygnału o długości 21 centymetrów — delikatnego sygnału energetycznego sprzed ponad 13 miliardów lat. Ten sygnał, na który wpływa promieniowanie wczesnych gwiazd oraz czarnych dziur, stanowi wyjątkowe okno na początki Wszechświata.
Profesor Fialkov kieruje zespołem teoretycznym REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen). REACH to radioteleskop, który jest jednym z dwóch kluczowych projektów umożliwiających badanie Kosmicznego Świtu oraz Ery Rejonizacji — okresu, w którym pierwsze gwiazdy rejonizowały neutralne atomy wodoru we Wszechświecie.
Chociaż REACH, który przechwytuje sygnały radiowe, wciąż znajduje się na etapie kalibracji, obiecuje ujawnić dane na temat wczesnego Wszechświata. Tymczasem Square Kilometre Array (SKA) – ogromny układ anten w budowie – będzie mapował fluktuacje sygnałów kosmicznych w rozległych regionach nieba.
Oba projekty odgrywają kluczową rolę w badaniu mas, jasności oraz rozmieszczenia najwcześniejszych gwiazd we Wszechświecie. W najnowszym badaniu Fialkov, będąca także członkiem zespołu SKA, wraz ze współpracownikami opracowała model przewidujący sygnał 21 centymetrów dla radioteleskopów REACH i SKA, wykazując jednocześnie, że ten sygnał jest wrażliwy na masy pierwszych gwiazd.
Jesteśmy pierwszą grupą, która konsekwentnie modeluje zależność sygnału 21 centymetrów od mas pierwszych gwiazd i emisji promieniowania rentgenowskiego z rentgenowskich układów podwójnych powstałych po śmierci pierwszych gwiazd – powiedziała Fialkov. Te spostrzeżenia pochodzą z symulacji, które integrują pierwotne warunki Wszechświata, takie jak skład wodoru i helu powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu.
Tworząc swój model teoretyczny, naukowcy przeanalizowali, jak sygnał o długości 21 centymetrów reaguje na rozkład mas pierwszych gwiazd, zwanych gwiazdami III populacji. Okazało się, że wcześniejsze badania nie doceniły tego związku, ponieważ nie uwzględniały liczby i jasności rentgenowskich układów podwójnych – systemów składających się z gwiazdy ciągu głównego oraz zwartej gwiazdy, takiej jak czarna dziura lub gwiazda neutronowa – wśród gwiazd III populacji, a także ich wpływu na sygnał 21-centymetrowy.
W przeciwieństwie do teleskopów optycznych, takich jak JWST, które rejestrują żywe obrazy, radioastronomia opiera się na analizie statystycznej słabych sygnałów. REACH i SKA nie będą w stanie obrazować pojedynczych gwiazd, ale zamiast tego dostarczą informacji o całych populacjach gwiazd, rentgenowskich układach podwójnych i galaktykach.
Potrzeba trochę wyobraźni, aby połączyć dane radiowe z historią pierwszych gwiazd, ale implikacje są głębokie – powiedziała Fialkov.
Przewidywania, które przedstawiamy, mają ogromne znaczenie dla naszego zrozumienia natury pierwszych gwiazd we Wszechświecie” – podkreślił współautor dr Eloy de Lera Acedo, główny badacz teleskopu REACH oraz kierownik działań rozwojowych SKA w Cambridge. „Dostarczamy dowodów, że nasze radioteleskopy mogą przekazać szczegółowe informacje o masach tych pierwszych gwiazd oraz o tym, jak bardzo różniły się one od gwiazd obserwowanych dzisiaj.
Radioteleskopy takie jak REACH obiecują odkryć tajemnice młodego Wszechświata, a te przewidywania są niezbędne do kierowania obserwacjami radiowymi, które prowadzimy z Karoo w RPA.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
