Die Nichtdetektion des Schlüsselsignals ermöglicht es den Astronomen zu bestimmen, wie die ersten Galaxien aussahen und wie sie nicht waren

In einer der ersten astrophysikalischen Studien über die Zeit im frühen Universum, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten, die als kosmische Morgendämmerung bekannt ist, konnten Forscher einige wichtige Feststellungen über die ersten existierenden Galaxien treffen.

Mithilfe von Daten des indischen Radioteleskops SARAS3 konnten Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge das sehr frühe Universum betrachten – nur 200 Millionen Jahre nach dem Urknall – und der Masse und Energieabgabe der ersten Sterne und Galaxien Grenzen setzen.

Entgegen der Intuition konnten die Forscher diese Grenzen für die frühesten Galaxien festlegen, indem sie das gesuchte Signal, die sogenannte 21-Zentimeter-Wasserstofflinie, nicht fanden.

Diese Nicht-Erkennung ermöglichte es den Forschern, andere Feststellungen über die kosmische Morgendämmerung zu treffen, indem sie den ersten Galaxien Beschränkungen auferlegten, wodurch sie Szenarien ausschließen konnten, darunter Galaxien, die ineffiziente Erhitzer von kosmischem Gas und effiziente Erzeuger von Radioemissionen waren.

Wir können diese frühen Galaxien zwar noch nicht direkt beobachten, aber die Ergebnisse, über die in der Zeitschrift berichtet wird Naturastronomiestellen einen wichtigen Schritt dar, um zu verstehen, wie unser Universum von einem weitgehend leeren zu einem voller Sterne überging.

Das Verständnis des frühen Universums, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden, ist eines der Hauptziele neuer Observatorien. Die mit den SARAS3-Daten erzielten Ergebnisse sind eine Proof-of-Concept-Studie, die den Weg zum Verständnis dieser Periode in der Entwicklung des Universums ebnet.

Das SKA-Projekt – das zwei Teleskope der nächsten Generation umfasst, die bis Ende des Jahrzehnts fertiggestellt werden sollen – wird wahrscheinlich in der Lage sein, Bilder des frühen Universums zu machen, aber für aktuelle Teleskope besteht die Herausforderung darin, das kosmologische Signal der ersten Sterne zu erkennen -bestrahlt von dicken Wasserstoffwolken.

Dieses Signal ist als 21-Zentimeter-Linie bekannt – ein Funksignal, das von Wasserstoffatomen im frühen Universum erzeugt wurde. Im Gegensatz zum kürzlich gestarteten JWST, das einzelne Galaxien im frühen Universum direkt abbilden kann, werden Studien der 21-Zentimeter-Linie, die mit Radioteleskopen wie dem von Cambridge geleiteten REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) durchgeführt wurden, kann uns Auskunft über ganze Populationen noch früherer Galaxien geben. Die ersten Ergebnisse von REACH werden Anfang 2023 erwartet.

Um die 21-Zentimeter-Linie zu erkennen, suchen Astronomen nach einem Radiosignal, das von Wasserstoffatomen im frühen Universum erzeugt wird und vom Licht der ersten Sterne und der Strahlung hinter dem Wasserstoffnebel beeinflusst wird. Anfang dieses Jahres entwickelten dieselben Forscher eine Methode, die es ihnen ihrer Meinung nach ermöglichen wird, durch den Nebel des frühen Universums zu sehen und Licht von den ersten Sternen zu erkennen. Einige dieser Techniken wurden bereits in der aktuellen Studie in die Praxis umgesetzt.

2018 betreibt eine weitere Forschungsgruppe das EDGES-Experiment ein Ergebnis veröffentlicht das deutete auf eine mögliche Entdeckung dieses frühesten Lichts hin. Das gemeldete Signal war ungewöhnlich stark im Vergleich zu dem, was im einfachsten astrophysikalischen Bild des frühen Universums erwartet wird. Kürzlich haben die SARAS3-Daten diese Entdeckung in Frage gestellt: Das EDGES-Ergebnis wartet noch auf die Bestätigung durch unabhängige Beobachtungen.

In einer erneuten Analyse der SARAS3-Daten testete das von Cambridge geleitete Team eine Vielzahl von astrophysikalischen Szenarien, die möglicherweise das EDGES-Ergebnis erklären könnten, fand jedoch kein entsprechendes Signal. Stattdessen konnte das Team den Eigenschaften der ersten Sterne und Galaxien Grenzen setzen.

Die Ergebnisse der SARAS3-Analyse sind das erste Mal, dass Radiobeobachtungen der gemittelten 21-Zentimeter-Linie einen Einblick in die Eigenschaften der ersten Galaxien in Form von Grenzen ihrer wichtigsten physikalischen Eigenschaften geben konnten.

In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern in Indien, Australien und Israel nutzte das Cambridge-Team Daten aus dem SARAS3-Experiment, um nach Signalen der kosmischen Morgendämmerung zu suchen, als sich die ersten Galaxien bildeten. Mithilfe statistischer Modellierungstechniken konnten die Forscher kein Signal in den SARAS3-Daten finden.

„Wir haben nach einem Signal mit einer bestimmten Amplitude gesucht“, sagte Harry Bevins, ein Ph.D. Studentin des Cavendish Laboratory in Cambridge und Hauptautorin der Veröffentlichung. „Aber wenn wir dieses Signal nicht finden, können wir seine Tiefe begrenzen. Das wiederum gibt uns Aufschluss darüber, wie hell die ersten Galaxien waren.“

„Unsere Analyse hat gezeigt, dass das Wasserstoffsignal uns über die Population der ersten Sterne und Galaxien informieren kann“, sagte Co-Hauptautorin Dr. Anastasia Fialkov vom Institute of Astronomy in Cambridge. „Unsere Analyse setzt einigen der Schlüsseleigenschaften der ersten Lichtquellen Grenzen, einschließlich der Massen der frühesten Galaxien und der Effizienz, mit der diese Galaxien Sterne bilden können. Wir gehen auch auf die Frage ein, wie effizient diese Quellen Röntgenstrahlen emittieren, Radio- und UV-Strahlung.“

„Dies ist für uns ein früher Schritt in einem Jahrzehnt voller Entdeckungen darüber, wie das Universum von Dunkelheit und Leere in das komplexe Reich der Sterne, Galaxien und anderer Himmelsobjekte überging, die wir heute von der Erde aus sehen können“, sagte Dr. Eloy de Lera Acedo vom Cavendish Laboratory in Cambridge, der die Forschung mit leitete.

Die Beobachtungsstudie, die in vielerlei Hinsicht die erste ihrer Art ist, schließt Szenarien aus, in denen die frühesten Galaxien in ihrer Radiobandemission mehr als tausendmal so hell waren wie heutige Galaxien und schlechte Erhitzer von Wasserstoffgas waren.

„Unsere Daten enthüllen auch etwas, was schon früher angedeutet wurde, nämlich dass die ersten Sterne und Galaxien einen messbaren Beitrag zur Hintergrundstrahlung geleistet haben könnten, die durch den Urknall entstanden ist und seitdem auf uns zukommt. „, sagte de Lera Acedo, „Wir legen auch eine Grenze für diesen Beitrag fest.“

„Es ist erstaunlich, so weit in die Vergangenheit blicken zu können – auf nur 200 Millionen Jahre nach dem Urknall – und etwas über das frühe Universum zu erfahren“, sagte Bevins.