Das Universum war nicht immer so gut beleuchtet. Es hatte sein eigenes dunkles Zeitalter, in den Tagen bevor sich Sterne und Galaxien bildeten. Das Problem ist, dass in dieser Zeit kein sichtbares Licht durch das Universum wandert.
Jetzt nutzt ein Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. Benjamin McKinley vom Internationalen Zentrum für Radioastronomieforschung (ICRAR) und der Curtin University den Mond, um diese Geheimnisse zu entschlüsseln.
Das Universum hat seine eigene historische Zeitachse, und um diese neue Forschung zu verstehen, muss man sich diese Zeitachse ansehen. Nachdem der Urknall die Dinge ins Rollen gebracht hatte, gab es ungefähr 377.000 Jahre, in denen nicht viel passierte. Es hatten sich noch keine Sterne gebildet und es war einfach zu heiß für Photonen, um sich fortzubewegen. Dieser erste Teil der Zeit trägt den leicht zu merkenden Namen „Early Universe“.
Bei ungefähr 377.000 Jahren hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass es transparent wurde. Zu dieser Zeit wurde das Universum von energetischen Wasserstoffatomen dominiert. Beim Abkühlen setzte der Wasserstoff Photonen frei. Die Photonen aus dieser Zeit sind als Cosmic Microwave Background (CMB) bekannt. Das CMB ist wie ein großer Blitz dieses Augenblicks, der auf dem Hintergrund des Kosmos eingeprägt ist.
Die 377.000-Jahres-Marke war der Beginn des dunklen Zeitalters und dauerte bis etwa 1 Milliarde Jahre. Es wird das dunkle Zeitalter genannt, weil es keine Sterne und natürlich kein Sternenlicht gab. Es gab das Licht von der CMB, aber es sagt uns nicht, was wir wissen müssen. Glücklicherweise war der gesamte Wasserstoff, der abgekühlt war und das CMB für Astronomen zum Studieren verlassen hatte, noch nicht fertig. Diese Wasserstoffatome waren jetzt neutral, aber sie setzten immer noch gelegentlich Photonen frei, und diese Photonen sind als 21-cm-Spinlinie von neutralem Wasserstoff bekannt. Puh! Hol erstmal Luft.
Das bringt uns zu dieser neuen Studie. Es wird viel über diesen neutralen Wasserstoff geforscht, da er der vielversprechendste Weg ist, um die frühen Tage des Universums zu studieren. Das Problem ist, dass das Signal sehr schwach ist und von anderen hellen astrophysikalischen Objekten im Vordergrund eingehüllt wird. Die zur Messung verwendeten Instrumente führen auch zu systematischen Effekten, die reduziert werden müssen. Und darum geht es in dieser Studie wirklich.
Die Autoren weisen darauf hin, dass dies der erste Teil einer Reihe von Arbeiten zu dieser Forschung ist. Die Verwendung des Mondes und der davon reflektierenden Milchstraße ist Teil der fein abgestimmten Kalibrierung, die zur Untersuchung der 21 cm erforderlich ist. Spinlinie von Wasserstoff oder was wir das Licht von frühem neutralem Wasserstoff nennen werden.
Dr. McKinley und die anderen Forscher verwenden ein Radioteleskop namens Murchison Widefield Array (MWA), das sich in einer radio-ruhigen Gegend in der Wüste Westaustraliens befindet. Das MWA ist ein Interferometer, das aus 256 separaten Installationen auf einer Fläche von 6 km² besteht. Jeder dieser 256 Standorte enthält 16 separate Empfänger, wobei das gesamte System miteinander verbunden ist.
Was Dr. McKinley und sein Team wirklich versuchen, ist, mit der MWA einen Drilldown durch die Helligkeit des Universums durchzuführen, um das Licht des neutralen Wasserstoffs im Mittelalter zu sehen. Zuerst bohren sie durch die Helligkeit der Milchstraße, dann durch das Licht anderer Galaxien und dann durch die CMB. Nach allem, was berücksichtigt wurde, bleibt hoffentlich das Licht des neutralen Wasserstoffs übrig. Diese Studie ist der Beginn ihres Versuchs, das Licht vom neutralen Wasserstoff zu isolieren.
"Wir haben den Wert der mittleren Helligkeit unserer Galaxie an der Stelle gemessen, an der der Mond sie einnimmt, um zu zeigen, dass die Technik funktioniert." - Dr. McKinley, ICRAR.
In diesem frühen Experiment nutzte das Team die Fähigkeiten des Murchison Widefield Arrays, um Schwankungen der mittleren Helligkeit des Himmels zu messen. Sie taten dies, indem sie den Mond benutzten, um den Himmel auszublenden. In einem E-Mail-Austausch mit dem Space Magazine erklärte Dr. McKinley den Prozess. „Wir verwenden den Mond also, um eine Schwankung des Mittelwerts zu erzeugen, indem wir ihn in unser Sichtfeld stellen, um den Himmel zu verschleiern. Wir gehen davon aus, dass wir die Helligkeit des Mondes (basierend auf seiner Temperatur) kennen und daraus die mittlere Temperatur des Himmels ableiten können. “
Das Problem ist, dass der Mond auch ein reflektierender Körper ist. Das Universum lebt von Radiowellen, die herumspringen, und der Mond reflektiert einige von denen - einschließlich derer aus der Milchstraße -, die berücksichtigt werden müssen. Dr. McKinley sagt: „Die Temperatur des Mondes wird jedoch nicht nur durch seine Temperatur bestimmt. Es reflektiert auch Radiowellen, einschließlich solcher, die von der Erde stammen, und solcher, die aus dem Weltraum kommen. Deshalb musste ich die vom Mond abprallende Milchstraße in das Teleskop modellieren. Wir berechnen die Reflexion anhand eines Modells der Milchstraße und verwenden dieses dann in unserer Analyse (subtrahieren es von der Mondhelligkeit). “
Das faszinierende Bild der vom Mond reflektierten Milchstraße ist nicht nur ein hübsches Bild. Es ist eine Art Proof of Concept für die Messmethoden des Teams. "Wir haben den Wert der mittleren Helligkeit unserer Galaxie an der Stelle gemessen, an der der Mond sie einnimmt, um zu zeigen, dass die Technik funktioniert", sagte Dr. McKinley gegenüber dem Space Magazine.
Dr. McKinley und sein Team stehen erst am Anfang einer hoffentlich fruchtbaren Untersuchungslinie. Sie müssen noch die Art und Weise verfeinern, in der sie Vordergrund- und Hintergrundemissionen berücksichtigen, um die frühen Wasserstoffradioemissionen zu isolieren. Aber wenn sie können, haben sie ein Fenster zur schwer fassbaren 21-cm-Spinlinie von neutralem Wasserstoff geöffnet. Und wenn sie das beobachten können, hoffen sie, einige grundlegende Fragen zur Geschichte des Universums zu beantworten.
- Forschungsbericht: „Messung des globalen 21-cm-Signals mit dem MWA-I: Verbesserte Messungen des galaktischen Synchrotronhintergrunds mithilfe der Mondbedeckung“
- ICRAR-Pressemitteilung: „Mond hilft, Geheimnisse des Universums zu enthüllen“
- Wikipedia-Eintrag: Chronologie des Universums
