Het kenmerk van lichtabsorptie door de waterstof rond vroege sterrenstelsels zou kunnen worden gebruikt als een frisse nieuwe sonde in de mysteries van donkere materie en hoe dit de evolutie van het universum tijdens de kosmische donkere eeuwen beïnvloedde.
Wetenschappers hebben lang aangenomen dat donkere materie, een mysterieuze substantie die ongeveer 85% van de materie in het universum uitmaakt, een grote rol speelde bij de vorming van vroege sterrenstelsels. Maar aangezien donkere materie geen wisselwerking heeft met licht (in tegenstelling tot de “normale” materie waaruit sterren, planeten en wij bestaan), blijft de aard ervan onbekend. Dit betekent dat de precieze rol die ze speelden toen zich sterrenstelsels begonnen te vormen, nog steeds een hiaat in kosmologische modellen vertegenwoordigt.
Om dit mysterie te onderzoeken, hebben wetenschappers van de Northeastern University in China en de National Astronomical Observatories van de Chinese Academie van Wetenschappen (NAOC) een nieuwe sonde voorgesteld om licht te werpen op zowel de aard van donkere materie als de vroege vorming van sterrenstelsels.
Verwant: We hebben nog nooit donkere materie en donkere energie gezien. Waarom denken we dat ze bestaan?
Een mogelijke manier om de deeltjes waaruit donkere materie bestaat en hun massa te onderzoeken, is door kleinschalige structuren in het universum te bestuderen. Het probleem ontstaat als je dit probeert te doen gedurende een periode die de ‘kosmische dageraad’ wordt genoemd, ongeveer 380 miljoen jaar na de oerknal, toen de eerste sterren net werden geboren. Er waren dus weinig levensvatbare lichtbronnen om dit oude tijdperk voor astronomen te verlichten.
Maar er waren in deze tijd atomen, in de vorm van gas van het lichtste chemische element, waterstof. Zoals alle elementen absorbeert waterstof licht in verschillende golflengten en laat het zijn sporen achter op het licht dat er doorheen gaat.
Op zoek naar donkere materie in een kosmische jungle
Atoomwaterstofgas in en rond de kleine structuren die bestonden tijdens de kosmische dageraad, die ongeveer een miljard jaar na de oerknal eindigde, creëert duidelijke absorptielijnen op 21 cm, in het radiobereik van het elektromagnetische spectrum. Gezamenlijk worden deze het 21cm Forest genoemd, dat al meer dan 20 jaar wordt voorgesteld als een mogelijke sonde van de temperatuur van gas en donkere materie tijdens de kosmische dageraad.
Dit is echter slechts een theoretisch concept gebleven, vanwege het feit dat licht uit dit tijdperk ongeveer 13,4 miljard jaar heeft gereisd om ons te bereiken. Onderweg verloor het energie, het strekte zijn golflengte uit en verlaagde zijn frequentie, waardoor het door het elektromagnetische spectrum naar het rode gebied en verder naar het infrarood werd verplaatst.
Hoe verder weg de lichtbron, hoe extremer het proces van “roodverschuiving”. Bij afwezigheid van sterlicht zou het gebruik van het 21-centimeter grote bos als sonde voor donkere materie het nodig maken om zeer luide bronnen zoals quasars te zien bij kosmische dageraad, en dus bij een hoge roodverschuiving. Maar de signalen van dergelijke radiobronnen van dit tijdperk zijn zwakker en het is moeilijk om dergelijke achtergrondbronnen met een hoge roodverschuiving te identificeren.
Deze situatie kan echter op het punt staan te veranderen. Niet alleen zijn onlangs een aantal quasars met een hoge roodverschuiving ontdekt, maar de bouw van ’s werelds grootste radiotelescoop, de Square Kilometre Array (SKA), begon in december 2022 in Australië en Zuid-Afrika en zal binnenkort zijn gevoelige radio-oog in het universum openen. Dit geeft aan dat de ontdekking en het gebruik van het 21-centimeterbos binnenkort mogelijk is.
Verwant: SKA Observatory: binnenkort een gids voor ’s werelds grootste radiotelescopen
Het team achter de nieuwe studie gelooft dat het meten van de energieverdeling van het 21-centimeter bos, of zijn “energiespectrum”, het een redelijke sonde zou maken om tegelijkertijd de eigenschappen van donkere materie en de thermische geschiedenis van het universum te meten.
Dit kan onderzoekers helpen onderscheid te maken tussen het koude donkere materiemodel van het universum – een model met massieve donkere materiedeeltjes die langzaam bewegen in vergelijking met de snelheid van het licht – en het hete donkere materiemodel, met lichtere en snellere donkere materiedeeltjes.
“Door het eendimensionale energiespectrum van een bos van 21 centimeter te meten, kunnen we de sonde niet alleen echt haalbaar maken door de gevoeligheid te vergroten, maar ook een manier bieden om onderscheid te maken tussen de effecten van warme donkere materiemodellen en het vroege verwarmingsproces.” , “zei onderzoeker bij de National Astronomical Observatories Yidong Xu, auteur. contrast met de nieuwe studie. “We zullen in staat zijn om twee vliegen in één klap te slaan!”
Zolang de kosmische opwarming niet te intens was tijdens de kosmische dageraad, zouden de laagfrequente mogelijkheden van de eerste fase van SKA-processen moeten betekenen dat wetenschappers de massa van donkere materiedeeltjes en de temperatuur van het gas kunnen beperken. Als de kosmische opwarming te groot is, zal de tweede trap van SKA een instrument zien uitzetten, wat resulteert in het gebruik van meerdere achtergrondradiobronnen die dezelfde beperkingen hebben.
Aangezien het potentiële gebruik van het 21-cm Forest als een donkere-materiesonde gekoppeld is aan waarnemingen van radiobronnen met een hoge roodverschuiving, is de volgende stap in dit onderzoek het identificeren van meer bronnen van radiostraling tijdens de kosmische dageraad, waaronder meer hoog-radiostraling. quasars en nagloed Gammastraling.
Deze bronnen kunnen vervolgens worden nagestreefd zodra SKA in 2027 het universum begint te observeren, waardoor astronomen meer licht kunnen werpen op de mysteries van zowel donkere materie als de eerste sterrenstelsels.
Het onderzoek van het team wordt gepresenteerd in het nummer van 6 juli van het tijdschrift Nature Astronomy.
“Social media fanaat. Fanatieke bacon fanaat. Wannabe popcultuur fan. Communicator. Gecertificeerd schrijver.”
More Stories
Een ongekende meteorietontdekking daagt astrofysische modellen uit
SpaceX heeft een Falcon 9-raket gelanceerd tijdens zijn recordbrekende 20e missie
Het vinden van de meest veelbelovende tekenen van leven op een andere planeet, met dank aan James Webb