Membuka kunci rahasia alam semesta

RAHASIA ALAM SEMESTA JIWA DAN REJEKI (Juli 2019).

Anonim

Dulu, sekitar 400.000 tahun setelah permulaan alam semesta (Big Bang), alam semesta gelap. Tidak ada bintang atau galaksi, dan alam semesta dipenuhi terutama dengan gas hidrogen netral.

Kemudian, untuk 50-100 juta tahun berikutnya, gravitasi perlahan-lahan menarik daerah terpadat gas bersama-sama sampai akhirnya gas runtuh di beberapa tempat untuk membentuk bintang pertama.

Seperti apa bintang-bintang pertama itu dan kapan terbentuknya? Bagaimana mereka mempengaruhi sisa alam semesta? Ini adalah pertanyaan para astronom dan astrofisikawan yang telah lama merenung.

Sekarang, setelah 12 tahun upaya eksperimental, tim ilmuwan, yang dipimpin oleh ASU School of Earth dan astronom Space Exploration Judd Bowman, telah mendeteksi sidik jari bintang-bintang paling awal di alam semesta. Dengan menggunakan sinyal radio, pendeteksian memberikan bukti pertama bagi nenek moyang tertua di pohon keluarga kosmik kita, yang lahir hanya 180 juta tahun setelah alam semesta dimulai.

"Ada tantangan teknis besar untuk membuat pendeteksian ini, karena sumber kebisingan bisa seribu kali lebih terang daripada sinyal - seperti berada di tengah badai dan mencoba mendengar sayap sayap burung kolibri." kata Peter Kurczynski, petugas program National Science Foundation yang mendukung penelitian ini. "Para peneliti ini dengan antena radio kecil di padang pasir telah melihat lebih jauh daripada teleskop ruang angkasa terkuat, membuka jendela baru di alam semesta awal."

Astronomi Radio

Untuk menemukan sidik jari ini, tim Bowman menggunakan instrumen berbasis darat yang disebut spektrometer radio, yang terletak di lembaga sains nasional Australia (CSIRO) Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO) di Australia Barat. Melalui Eksperimen mereka untuk Mendeteksi Tanda Tangan EOR Global (EDGES), tim mengukur spektrum radio rata-rata dari semua sinyal astronomi yang diterima di sebagian besar langit belahan selatan dan mencari perubahan kecil dalam kekuasaan sebagai fungsi dari panjang gelombang (atau frekuensi).

Ketika gelombang radio masuk ke antena berbasis darat, gelombang tersebut diperkuat oleh receiver, lalu didigitalkan dan direkam oleh komputer, mirip dengan bagaimana penerima radio FM dan penerima TV bekerja. Perbedaannya adalah bahwa instrumen ini sangat tepat dikalibrasi dan dirancang untuk tampil semaksimal mungkin di banyak gelombang radio.

Sinyal yang terdeteksi oleh spektrometer radio dalam penelitian ini berasal dari gas hidrogen primordial yang memenuhi alam semesta muda dan ada di antara semua bintang dan galaksi. Sinyal-sinyal ini menyimpan banyak informasi yang membuka jendela baru tentang bagaimana bintang-bintang awal - dan kemudian, lubang hitam, dan galaksi - terbentuk dan berevolusi.

"Tidak mungkin kita akan bisa melihat lebih awal ke dalam sejarah bintang-bintang di masa hidup kita, " kata Bowman. "Proyek ini menunjukkan bahwa teknik baru yang menjanjikan dapat berhasil dan telah membuka jalan selama beberapa dekade penemuan astrofisika baru."

Deteksi ini menyoroti ketenangan radio yang luar biasa dari MRO, terutama karena fitur yang ditemukan oleh EDGES tumpang tindih rentang frekuensi yang digunakan oleh stasiun radio FM. Undang-undang nasional Australia membatasi penggunaan pemancar radio dalam jarak 161, 5 mil (260 km) dari situs tersebut, secara substansial mengurangi gangguan yang jika tidak dapat mengurangi pengamatan astronomi yang sensitif.

Hasil penelitian ini baru-baru ini diterbitkan di Nature oleh Bowman, dengan co-author Alan Rogers dari Observatorium Haystack Massachusetts Institute of Technology, Raul Monsalve dari University of Colorado, dan Thomas Mozdzen dan Nivedita Mahesh juga dari ASU School of Earth dan Eksplorasi Ruang Angkasa.

Hasil yang tidak terduga

Hasil dari eksperimen ini mengkonfirmasi harapan teoritis umum ketika bintang pertama terbentuk dan sifat paling dasar dari bintang awal.

"Apa yang terjadi dalam periode ini, " kata co-penulis Rogers dari Haystack Observatory MIT, "adalah bahwa beberapa radiasi dari bintang-bintang pertama mulai memungkinkan hidrogen untuk dilihat. Ini menyebabkan hidrogen mulai menyerap radiasi latar belakang, jadi Anda mulai melihatnya dalam siluet, pada frekuensi radio tertentu. Ini adalah sinyal nyata pertama yang mulai terbentuk oleh bintang, dan mulai memengaruhi medium di sekitarnya. "

Tim awalnya menyetel instrumen mereka untuk melihat nanti dalam waktu kosmik, tetapi pada tahun 2015 memutuskan untuk memperluas pencarian mereka. "Segera setelah kami mengalihkan sistem kami ke kisaran yang lebih rendah ini, kami mulai melihat hal-hal yang kami rasakan sebagai tanda nyata, " kata Rogers. "Kami melihat ini dip paling kuat di sekitar 78 megahertz, dan frekuensi itu sesuai dengan sekitar 180 juta tahun setelah Big Bang, " kata Rogers. "Dalam hal deteksi langsung sinyal dari gas hidrogen itu sendiri, ini harus menjadi yang paling awal."

Studi ini juga mengungkapkan bahwa gas di alam semesta mungkin jauh lebih dingin dari yang diharapkan (kurang dari setengah suhu yang diharapkan). Hal ini menunjukkan bahwa baik upaya teoretis astrofisikawan telah mengabaikan sesuatu yang signifikan atau bahwa ini mungkin merupakan bukti pertama dari fisika non-standar: Secara khusus, bahwa baryon (materi normal) mungkin telah berinteraksi dengan materi gelap dan perlahan kehilangan energi untuk materi gelap di awal alam semesta, konsep yang pada awalnya diusulkan oleh Rennan Barkana dari Tel Aviv University.

"Jika gagasan Barkana dikonfirmasi, " kata Bowman, "maka kami telah belajar sesuatu yang baru dan mendasar tentang materi gelap misterius yang menyusun 85 persen materi di alam semesta, memberikan kilasan pertama fisika di luar model standar."

Langkah selanjutnya dalam penelitian ini adalah untuk instrumen lain untuk mengkonfirmasi deteksi tim ini dan untuk terus meningkatkan kinerja instrumen, sehingga lebih dapat dipelajari tentang sifat-sifat bintang awal. "Kami bekerja sangat keras selama dua tahun terakhir untuk memvalidasi pendeteksian, " kata Bowman, "tetapi meminta kelompok lain mengkonfirmasi secara independen adalah bagian penting dari proses ilmiah."

Bowman juga ingin melihat percepatan upaya untuk menghadirkan teleskop radio baru seperti Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) dan Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).

"Sekarang kita tahu sinyal ini ada, " kata Bowman, "kita perlu secara cepat membawa teleskop radio baru daring yang akan dapat menambang sinyal jauh lebih dalam."

Antena dan bagian penerima yang digunakan dalam eksperimen ini dirancang dan dikonstruksi oleh Rogers dan tim MIT Haystack Observatory. Tim ASU dan Monsalve menambahkan sistem pengukuran refleksi antena otomatis ke penerima, dilengkapi dengan gubuk kontrol dengan elektronik, membangun bidang tanah dan melakukan pekerjaan lapangan untuk proyek tersebut. Versi EDGES saat ini adalah hasil dari iterasi desain dan penyempurnaan teknis rinci yang terus menerus dari instrumentasi kalibrasi untuk mencapai tingkat ketelitian yang diperlukan untuk berhasil mencapai pengukuran yang sulit ini.

menu
menu