Waren sterrenstelsels in het vroege heelal veel anders?

[univers]

De HERA-radiotelescoop bestaat uit 350 schotels die naar boven zijn gericht om emissies van 21 centimeter uit het vroege heelal te detecteren. Het is gelegen in een radiostil gebied van de dorre Karoo in Zuid-Afrika. (Fotocredit: Dara Storer, 2022)

Een reeks van 350 radiotelescopen in de Karoo-woestijn in Zuid-Afrika komt steeds dichter bij het detecteren van "kosmische dageraad" - het tijdperk na de oerknal toen sterren voor het eerst ontstaken en sterrenstelsels begonnen te bloeien.

In een paper die is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal , meldt het Hydrogen Epoch of Reionization Array ( HERA )-team dat het de gevoeligheid van de array heeft verdubbeld, die al de meest gevoelige radiotelescoop ter wereld was die was gewijd aan het verkennen van deze unieke periode in de geschiedenis van het heelal.

Hoewel ze de radio-emissies van het einde van de kosmische donkere eeuwen nog niet hebben gedetecteerd, geven hun resultaten wel aanwijzingen voor de samenstelling van sterren en sterrenstelsels in het vroege universum. Hun gegevens suggereren met name dat vroege sterrenstelsels naast waterstof en helium zeer weinig elementen bevatten, in tegenstelling tot onze huidige sterrenstelsels.

Wanneer de radioschotels volledig online en gekalibreerd zijn, idealiter dit najaar, hoopt het team een ​​3D-kaart te maken van de bellen van geïoniseerde en neutrale waterstof zoals ze evolueerden van ongeveer 200 miljoen jaar geleden tot ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal. De kaart zou ons kunnen vertellen hoe vroege sterren en sterrenstelsels verschilden van de sterren en sterrenstelsels die we tegenwoordig om ons heen zien, en hoe het universum als geheel eruitzag in zijn adolescentie.

"Dit is op weg naar een potentieel revolutionaire techniek in de kosmologie. Als je eenmaal de gevoeligheid hebt bereikt die je nodig hebt, zit er zoveel informatie in de gegevens”, zegt Joshua Dillon , een onderzoekswetenschapper aan de University of California, Berkeley's Department of Astronomy en hoofdauteur van het artikel. "Een 3D-kaart van de meeste lichtgevende materie in het universum is het doel voor de komende 50 jaar of langer."

Andere telescopen turen ook in het vroege heelal. De nieuwe James Webb Space Telescope (JWST) heeft nu een afbeelding gemaakt van een sterrenstelsel dat ongeveer 325 miljoen jaar na de geboorte van het universum in de oerknal bestond. Maar de JWST kan alleen de helderste van de sterrenstelsels zien die tijdens het tijdperk van reïonisatie zijn gevormd, niet de kleinere maar veel talrijkere dwergstelsels waarvan de sterren het intergalactische medium verhitten en het grootste deel van het waterstofgas ioniseerden.

HERA probeert straling te detecteren van de neutrale waterstof die de ruimte tussen die vroege sterren en sterrenstelsels vulde en, in het bijzonder, te bepalen wanneer die waterstof stopte met het uitzenden of absorberen van radiogolven omdat het geïoniseerd raakte.


Een kosmische tijdlijn van 13,8 miljard jaar geeft het tijdperk aan kort na de oerknal waargenomen door de Planck-satelliet, het tijdperk van de eerste sterren en sterrenstelsels waargenomen door HERA en het tijdperk van de evolutie van sterrenstelsels dat zal worden waargenomen door NASA's toekomstige James Webb Space Telescope. HERA afbeelding.

Het feit dat het HERA-team deze bellen van geïoniseerde waterstof in de koude waterstof van de kosmische donkere eeuw nog niet heeft gedetecteerd, sluit sommige theorieën uit over hoe sterren in het vroege universum evolueerden.

Concreet laten de gegevens zien dat de vroegste sterren, die ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd, weinig andere elementen bevatten dan waterstof en helium. Dit verschilt van de samenstelling van de sterren van vandaag, die een verscheidenheid aan zogenaamde metalen hebben, de astronomische term voor elementen, variërend van lithium tot uranium, die zwaarder zijn dan helium. De bevinding komt overeen met het huidige model voor hoe sterren en stellaire explosies de meeste andere elementen produceerden.

"Vroege sterrenstelsels moeten aanzienlijk anders zijn geweest dan de sterrenstelsels die we vandaag waarnemen, anders zouden we geen signaal hebben gezien", zegt Aaron Parsons , hoofdonderzoeker voor HERA en universitair hoofddocent astronomie aan UC Berkeley. “Vooral hun röntgenkarakteristieken moeten veranderd zijn. Anders hadden we het signaal gedetecteerd waarnaar we op zoek waren.”

De atomaire samenstelling van sterren in het vroege heelal bepaalde hoe lang het duurde om het intergalactische medium op te warmen zodra zich sterren begonnen te vormen. De sleutel hiervoor is de hoogenergetische straling, voornamelijk röntgenstraling, geproduceerd door dubbelsterren waarvan een van hen is ingestort tot een zwart gat of een neutronenster en geleidelijk zijn metgezel opeet. Met weinig zware elementen wordt veel van de massa van de metgezel weggeblazen in plaats van op het zwarte gat te vallen, wat betekent dat er minder röntgenstraling is en de omgeving minder opwarmt.

De nieuwe gegevens passen in de meest populaire theorieën over hoe sterren en sterrenstelsels zich voor het eerst vormden na de oerknal, maar niet in andere. Voorlopige resultaten van de eerste analyse van HERA-gegevens, een jaar geleden gerapporteerd, lieten doorschemeren dat die alternatieven - met name koude reïonisatie - onwaarschijnlijk waren.

“Onze resultaten vereisen dat het gas tussen sterrenstelsels zelfs vóór reïonisatie en zelfs 450 miljoen jaar na de oerknal moet zijn verhit door röntgenstraling. Deze zijn waarschijnlijk afkomstig van binaire systemen waar een ster massa verliest aan een begeleidend zwart gat, "zei Dillon. "Onze resultaten laten zien dat als dat het geval is, die sterren een zeer lage 'metalliciteit' moeten hebben gehad, dat wil zeggen, zeer weinig andere elementen dan waterstof en helium in vergelijking met onze zon, wat logisch is omdat we het hebben over een periode in tijd in het universum voordat de meeste andere elementen werden gevormd.”

Het tijdperk van reïonisatie
De oorsprong van het universum in de oerknal 13,8 miljard jaar geleden produceerde een hete ketel van energie en elementaire deeltjes die honderdduizenden jaren afkoelde voordat protonen en elektronen zich verenigden om atomen te vormen - voornamelijk waterstof en helium. Door met gevoelige telescopen naar de hemel te kijken, hebben astronomen de vage temperatuurschommelingen vanaf dit moment - wat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond - tot in detail in kaart gebracht, slechts 380.000 jaar na de oerknal.


Het Melkwegstelsel aan de nachtelijke hemel boven de HERA-array. De telescoop kan alleen waarnemen tussen april en september, wanneer de Melkweg zich onder de horizon bevindt, omdat de melkweg veel radioruis produceert die de detectie van zwakke straling van het tijdperk van reïonisatie verstoort. De array bevindt zich in een radiostil gebied waar radio's, mobiele telefoons en zelfs benzineauto's verboden zijn. (Foto tegoed: Dara Storer)

Afgezien van deze relictwarmtestraling was het vroege universum echter donker. Terwijl het universum zich uitbreidde, vormde de klontigheid van de materie sterrenstelsels en sterren, die op hun beurt straling produceerden - ultraviolet en röntgenstralen - die het gas tussen de sterren verhitten. Op een gegeven moment begon waterstof te ioniseren - het verloor zijn elektron - en vormde bellen in de neutrale waterstof, wat het begin markeerde van het tijdperk van reïonisatie.

Om deze bellen in kaart te brengen, zijn HERA en verschillende andere experimenten gericht op een golflengte van licht dat neutraal waterstof absorbeert en uitzendt, maar geïoniseerd waterstof niet. Dit wordt de lijn van 21 centimeter genoemd (een frequentie van 1.420 megahertz) en wordt geproduceerd door de hyperfijne overgang, waarbij de spins van het elektron en het proton van parallel naar antiparallel draaien. Geïoniseerde waterstof, die zijn enige elektron heeft verloren, absorbeert of zendt deze radiofrequentie niet uit.

Sinds het tijdperk van reïonisatie is de lijn van 21 centimeter rood verschoven door de uitdijing van het universum naar een golflengte die 10 keer zo lang is - ongeveer 2 meter of 6 voet. HERA's vrij eenvoudige antennes, een constructie van kippengaas, PVC-buis en telefoonpalen, zijn 14 meter breed om deze straling op te vangen en te focussen op detectoren.

"Bij een golflengte van twee meter is een gaas van kippengaas een spiegel," zei Dillon. "En alle geavanceerde dingen, om zo te zeggen, zitten in de backend van de supercomputer en alle data-analyse die daarna komt."


UC Berkeley-astronoom Joshua Dillon onder een van de HERA-radioschotels in 2017. (Foto met dank aan Joshua Dillon)

De nieuwe analyse is gebaseerd op 94 observatienachten in 2017 en 2018 met ongeveer 40 antennes - fase 1 van de array. De voorlopige analyse van vorig jaar was gebaseerd op 18 nachten fase 1-waarnemingen.

Het belangrijkste resultaat van het nieuwe artikel is dat het HERA-team de gevoeligheid van de array heeft verbeterd met een factor 2,1 voor licht dat ongeveer 650 miljoen jaar na de oerknal wordt uitgezonden (een roodverschuiving of een toename in golflengte van 7,9), en 2,6 voor straling uitgezonden ongeveer 450 miljoen jaar na de oerknal (een roodverschuiving van 10,4).

Het HERA-team blijft de kalibratie en data-analyse van de telescoop verbeteren in de hoop die bellen in het vroege universum te zien, die ongeveer 1 miljoenste zijn van de intensiteit van de radioruis in de buurt van de aarde. Het wegfilteren van de lokale radioruis om de straling van het vroege heelal te zien, was niet eenvoudig.

"Als het Zwitserse kaas is, maken de sterrenstelsels de gaten en zijn we op zoek naar de kaas", zei David Deboer , een onderzoeksastronoom in het Radio Astronomy Laboratory van UC Berkeley, tot nu toe tevergeefs.

Dillon vervolgde echter die analogie en merkte op: 'Wat we hebben gedaan, is dat we hebben gezegd dat de kaas warmer moet zijn dan wanneer er niets was gebeurd. Als de kaas echt koud was, blijkt het gemakkelijker om die vlekkerigheid waar te nemen dan als de kaas warm was.

Dat sluit grotendeels de theorie van koude reïonisatie uit, die een kouder startpunt opleverde. De HERA-onderzoekers vermoeden daarentegen dat de röntgenstralen van röntgendubbelsterren eerst het intergalactische medium opwarmden.


UC Berkeley-astronoom Aaron Parsons maakt een selfie bij de HERA-array in 2017. (Foto: Aaron Parsons)

"De röntgenstralen zullen het hele blok kaas effectief opwarmen voordat de gaten zich zullen vormen," zei Dillon. "En die gaten zijn de geïoniseerde bits."

"HERA blijft zich verbeteren en stelt steeds betere limieten", zei Parsons. “Het feit dat we kunnen blijven doorzetten en dat we nieuwe technieken hebben die vruchten blijven afwerpen voor onze telescoop, is geweldig.”

De HERA-samenwerking wordt geleid door UC Berkeley en omvat wetenschappers uit heel Noord-Amerika, Europa en Zuid-Afrika. De constructie van de array wordt gefinancierd door de National Science Foundation en de Gordon and Betty Moore Foundation, met belangrijke steun van de regering van Zuid-Afrika en het South African Radio Astronomy Observatory (SARAO).

https://news.berkeley.edu/2023/01/24/we ... -universe/