天文学家确定“宇宙黎明”发生的时间


这幅来自欧洲航天局的插图显示了再电离的时代。你在看什么,从左到右:宇宙中最古老的光,第一颗星,再电离过程和第一个星系。 ESA - C.卡洛

天文学家们从一开始就发现了一个宇宙遗迹,它揭示了第一颗恒星是何时产生生命的。这样做,他们可能透露了一个诱人的线索暗物质影响了我们早期的宇宙。

在我们深入研究这个遗迹之前,我们需要回到一段时间后大爆炸,发生在138亿年前。那时,宇宙是一团旋转的热等离子体,高电荷(或电离)粒子的密集集合。随着等离子体的冷却和宇宙的膨胀,中性氢(由一个质子和一个电子组成的最基本的原子)大约开始形成370000年在我们的宇宙闪耀着生命之后。最终,中性氢气在重力作用下聚集在一起,触发了第一批爆发出强X射线的恒星的形成。

就在“宇宙黎明”发生的时候,然而,已经公开辩论了。很久以前就发生了,那些古老的小恒星发出的第一束光太弱了,即使是最先进的天文台也无法探测到。

不过,位于西澳大利亚的一个冰箱大小的无线电天线帮助解决了这场争论。这是实验的一部分,用来检测再电离签名的全球时代,或边缘。在他们的宇宙黎明探索中,该项目的研究人员一直在忙于探测另一种古老辐射源,即宇宙微波背景辐射。还是CMB。通常被称为大爆炸的余辉,这种辐射充满了宇宙可以被检测到,所以这对于研究我们宇宙存在的最早时期是很方便的。

最重要的信号:时间的下降

让我们回到宇宙的早期。当宇宙微波背景辐射的光子在第一颗恒星诞生时穿过星际中性氢时,在这些光子中嵌入了恒星诞生的指纹。几十亿年后,天文学家刚刚看到了它的信号——一个特定频率的“倾斜”信号。

“这是我们第一次看到来自宇宙早期的任何信号,除了大爆炸的余辉,“天文学家贾德·鲍曼告诉大自然.Bowman他在坦佩的亚利桑那州立大学工作,领导的研究发表在《自然》杂志上2月2日28。

找到这个信号并不容易。研究人员花了两年时间确认和再次确认他们的发现,试图确定这个信号是进入宇宙黎明的窗口,还是来自我们星系的不幸噪音。他们甚至不得不煞费苦心地排除地球上和近地人类活动的无线电干扰。

“两年后,我们通过了所有这些测试,找不到其他解释。转达自然.“在那一点上,我们开始感到兴奋。”

最重要的信号是在78兆赫的频率下,宇宙微波背景辐射的能量下降。原因如下:来自最早恒星的强大X射线辐射改变了星际空间中性氢气的行为。这样做,当宇宙微波背景波光子穿过氢气时,它吸收了一个特定的频率——所以不是寻找特定的发射,天文学家一直在寻找一种特殊的吸收方式,或某一频率的宇宙微波背景辐射缺失。这种下降可能仅仅是由最早恒星的第一次X射线暴怒造成的。

详细说明,利用美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)收集的九年数据,创建了宇宙最初几天的全天空图像。不同的颜色表示温度波动。这些变化与我们宇宙中的星系发展的种子相对应。
NASA/WMAP科学团队

随着宇宙的膨胀,随着时间的推移,这个吸收带已经被拉长了。所以,通过精确测量这种倾角的延伸程度,研究人员能够计算出它的年龄。掌握了这些知识,他们可以得出结论,第一批恒星诞生的时间不早于大爆炸后的1.8亿年。但这不是全部。研究人员能够记录信号转换的精确时间。远离的.

第一批明星过着艰苦而快速的生活,像超新星一样燃烧明亮并迅速死亡。这种物质的消亡产生了高能X射线,提高环境中性氢的温度,切断其特征吸收频率。这发生在大爆炸后大约2.5亿年。实际上,这项研究打开了进入宇宙黎明的窗口,宇宙诞生后1.8亿年开始,7000万年后结束——这一时期代表了第一颗恒星的短时间跨度。

这个宇宙考古学挖掘可能会彻底改变我们对宇宙最早时期的看法。最初的星星是制造出第一批重元素的工厂,在我们的宇宙中播种元素,这些元素将继续丰富后来的恒星数量,产生越来越重的元素,最终形成了巨大的星体威胁,行星和最终,生活。所以,要看到这一重要时刻,我们就要看到宇宙多元化学的最初萌芽阶段。

“如果我们真的想了解我们起源的宇宙阶梯,这是理解的关键步骤,”鲍曼补充道。

暗物质

这项工作似乎偶然发现了别的东西,也是。

在一个不同性质研究基于此CMB信号,另一个研究小组注意到,78兆赫的频率下降也因其戏剧性而引人注目。虽然它只代表0.1%的能量下降,这是理论预测的两倍。这可能意味着宇宙黎明时的辐射比预期的要多,或者中性氢被某物.如果后者被证明是正确的,那个“东西”可能是暗物质。

我们都知道,暗物质理论上是宇宙中大部分物质的体现。通过间接测量,天文学家知道它在那里,但他们就是看不见。它是如此微弱的相互作用以至于我们只能探测到它的引力。但这次宇宙微波背景波的深度可能是来自第一颗恒星出现时暗物质效应的信号,当暗物质理论上是冷的时候。

如果事实证明是这样,事情变得更加令人兴奋:如果这一下降的深度被冷暗物质放大,这意味着粒子比目前暗物质模型预测的要小。换言之,这项研究可以完善对暗物质的研究,并解释为什么物理学家还没有弄清楚它是什么。

“如果这个想法得到证实,然后我们学到了一些新的和基本的关于神秘暗物质的知识,它占宇宙物质的85%。”鲍曼在一篇文章中补充道。陈述.“这将使我们第一次看到标准模型之外的物理现象。”

这些无疑是重大发现,可能会改变我们对宇宙的看法,但研究人员指出,这只是多年集中研究的开始。根据倾角发现,其他的天文台正在重新调整设备来研究这个有趣的频率,例如位于南非卡鲁沙漠的再电离阵列(HERA)项目的氢时代。欧洲低频阵列(lofar)项目的目标是更进一步,绘制信号图,看看它在天空中的变化。如果暗物质放大了这个信号,天文学家应该看到一个独特的模式。

尽管在所有这些证据都被证明是革命性的发现之前还有一段路要走,令人兴奋的是,天文学家们还没有打开宇宙黎明的窗口;他们可能打开了一扇了解暗物质起源的窗口,也是。


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