古代无线电信号揭示了第一颗星星的样子

古代无线电信号揭示了第一颗星星的样子

发布时间:2018-05-15    浏览量:14

这位艺术家的绘画展示了宇宙的第一颗巨大的蓝色恒星嵌入气体细丝中,宇宙微波背景仅在边缘可见。亚利桑那州立大学NSF资助的研究人员Judd Bowman,麻省理工学院的Alan Rogers和他们的同事利用遥远宇宙的无线电观测,发现了这种早期恒星对原始气体的影响。虽然他们无法直接看到巨大恒星发出的光,但鲍曼的团队能够通过调节宇宙微波背景(CMB)来推断它们的存在,这是气体灯丝吸收恒星紫外线的结果。 CMB比预期暗淡,表明细丝可能比预期更冷,可能来自与暗物质的相互作用。信用:N.R.Fuller,国家科学基金会

天文学家第一次发现了早期宇宙中出现的恒星的信号。研究人员发现,使用比冰箱大不了多少的无线电天线,发现古老的太阳在宇宙大爆炸的1.8亿年内活跃。

来自亚利桑那州立大学(ASU),麻省理工学院(MIT)和科罗拉多大学博尔德分校的天文学家通过他们的实验检测全球EoR(再生电子时代)签名(EDGES)项目,获得资助由美国国家科学基金会(NSF)提供。他们在3月1日的“自然”杂志上报告了他们的发现。


em NSF的Peter Kurczynski解释了一个小巧的冰箱尺寸的天线如何能够首次探测到宇宙的原始恒星。学分:NSF / em

亚利桑那大学的天文学家Judd Bowman说:“发现这个微小的信号为早期宇宙打开了一扇新窗口,该项目的首席研究员说。 “望远镜看不到足够的直接成像这样的古代恒星,但是我们已经看到它们在从太空到达的无线电波中打开。”

早期宇宙的模型预测这些恒星是巨大的,蓝色和短命的。然而,由于望远镜看不到它们,天文学家们一直在寻找间接证据,例如宇宙微波背景(CMB)中背景电磁辐射渗透宇宙的一种变化。

例如,在CMB无线电信号中应该有一个小幅度的下降,但地球拥挤的无线电波环境阻碍了天文学家的搜索。这种下陷发生在65兆赫(MHz)到95兆赫之间的波长,与FM收音机转盘上一些最广泛使用的频率重叠,以及银河系自然发出的巨大无线电波。

“进行这种检测存在巨大的技术挑战,”监督EDGES资金的NSF项目主管Peter Kurczynski说。 “噪音来源比信号亮一万倍 - 就像在飓风中间,试图听到蜂鸟翅膀的襟翼。”

这个宇宙更新的时间表反映了最近的一个发现,即第一批恒星在宇宙大爆炸后1.8亿年出现。这一时间表背后的研究由亚利桑那州立大学的Judd Bowman和他的同事们在美国国家科学基金会的资助下进行。信用:N.R.Fuller,国家科学基金会

尽管存在障碍,但天文学家有信心能够找到这样的信号,这要归功于先前的研究表明,第一颗恒星释放出大量的紫外线(UV)光。该光与自由浮动的氢原子相互作用,后者开始吸收周围的CMB光子。

“你开始在特定的无线电频率下看到氢气的轮廓,”麻省理工学院Haystack Observatory的合着者Alan Rogers说。 “这是恒星开始形成的第一个真实信号,并开始影响周围的媒介。”

在他们的论文中,EDGES小组报告在无线电波数据中看到了一个清晰的信号,发现该过程开始时CMB强度下降。随着恒星聚变的继续,其产生的紫外光开始撕裂自由浮动的氢原子,在称为电离的过程中剥离掉它们的电子。

当早期恒星死亡时,他们留下的黑洞,超新星和其他物体继续电离过程,并用X射线加热剩余的游离氢,最终熄灭信号。 EDGES数据显示,这一里程碑事件发生在大爆炸后大约2.5亿年前。

在每台仪器中,无线电波由天线收集,天线由水平安装在金属网上方的玻璃纤维支架上的两块矩形金属面板组成。由于澳大利亚的国家立法限制了现场附近无线电发射机的使用,EDGES探测需要默奇森射电天文台的无线电安静。这一发现为其他强大的低频设备(包括HERA和即将到来的SKA-low)的后续观察奠定了基础。 CSIRO澳大利亚

NSF投资

EDGES在十多年前就开始了,当时鲍曼和罗杰斯提出用专门的接收机构建一个独特的天线,该系统可以检测目标无线电波段的干净信号。通过2009年开始的一系列NSF资助,研究人员构建了仪器,完善了校准方法,并开发了用于细化信号数据的统计技术。

Bowman,来自科罗拉多大学博尔德分校的合作者Raul Monsalve和他们的合作者们增加了诸如自动化系统来测量天线反射以评估系统性能,控制容纳电子设备的房屋以及被称为地平面的组件等元素。

通过这些工具,研究人员在沙漠中设置了EDGES天线,以尽可能消除无线电噪音,在澳大利亚Murchison射电天文观测站选择一个孤立的站点,由该国的联邦科学和工业研究组织( CSIRO)。

一旦信号出现在数据中,天文学家启动了长达数年的过程,检查并重新检查他们的发现,以对比任何已知的仪器故障原因,并排除潜在的无线电干扰源。总之,EDGES应用了几十个验证测试来确保信号真正来自太空。

在确认信号的同时,EDGES数据也提出了新的问题,因为信号强度比模型预测的强一倍。研究人员认为,这意味着在大爆炸比预期更冷之后不久,或者背景辐射水平比CMB的光子明显更热。研究作者提出一种可能性是暗物质相互作用可以解释这种效应。

“如果这个想法得到证实,”鲍曼说,“那么我们已经知道一些关于宇宙中85%的物质的神秘暗物质的新的和基本的东西。这将为标准模型之外的物理学提供第一次瞥见。“

更大的无线电阵列正在继续搜索,预计将在EDGES最初的研究结果之外建立,以更深入地了解最早的恒星和星系。

Kurczynski说:“这一发现为我们了解我们所看到的世界如何诞生打开了新的一页。 “由于天线与FM收音机没有多大区别,并且有很大的关心和独创性,研究人员发现了一些尚未被干涉仪检测到的需要数百个天线,复杂的数据处理和数百个观测小时的事件。间接地,他们甚至比哈勃太空望远镜看到的更远,以找到最早的恒星的证据。“

出版物:Judd D. Bowman等人,“在天空平均光谱中以78兆赫为中心的吸收剖面”,自然卷555,67-70页(2018年3月1日)doi:10.1038 / nature25792

资料来源:美国国家科学基金会Joshua Chamot

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