Un team di scienziati che lavorano con il radiotelescopio Murchison Widefield Array (WMA) stanno cercando di trovare il segnale dalle prime stelle dell'Universo. Quelle prime stelle si formarono dopo il Medioevo dell'Universo. Per trovare la loro prima luce, i ricercatori stanno cercando il segnale dell'idrogeno neutro, il gas che ha dominato l'Universo dopo il Medioevo.
Ci sono voluti un po 'per formare le prime stelle. Dopo il Big Bang, l'universo era estremamente caldo; troppo caldo perché si formino gli atomi. Senza atomi, non potrebbero esserci stelle. Fu solo circa 377.000 anni dopo il Big Bang che l'Universo si era espanso e raffreddato abbastanza da formare atomi, principalmente idrogeno neutro con un po 'di elio. (E tracce di litio.) Successivamente, le prime stelle iniziarono a formarsi, durante l'Epoca della Reionizzazione.
Per trovare il segnale inafferrabile da quell'idrogeno neutro, il MWA è stato riconfigurato. Il MWA si trova nella remota Australia occidentale e aveva 2048 antenne radio disposte in 128 "tessere" quando ha iniziato a funzionare nel 2013. Per cercare il segnale di idrogeno neutro inafferrabile, il numero di tessere è stato raddoppiato a 256 e l'intero array è stato riarrangiati. Tutti i dati di questi ricevitori vengono immessi in un supercomputer chiamato Correlatore.
Un nuovo documento che sarà pubblicato sull'Astrophysical Journal presenta i risultati della prima analisi dei dati dall'array appena configurato. L'articolo è intitolato "Risultati della prima stagione MWA Fase II EoR Power Spectrum a Redshift 7." Il ricercatore principale è Wenyang Li, uno studente di dottorato alla Brown University.
Questa ricerca aveva lo scopo di comprendere la forza del segnale dall'idrogeno neutro. L'analisi ha fissato il limite più basso per quel segnale, un risultato chiave nella ricerca del segnale debole stesso.
"Possiamo affermare con sicurezza che se il segnale dell'idrogeno neutro fosse più forte del limite fissato nel documento, il telescopio lo avrebbe rilevato", ha dichiarato Jonathan Pober, assistente professore di fisica alla Brown University e corrispondente autore del nuova carta. "Questi risultati possono aiutarci a limitare ulteriormente il momento in cui si sono concluse le epoche oscure cosmiche e sono emerse le prime stelle."
Nonostante ciò che sembra una cronologia dettagliata degli eventi nell'universo primordiale, ci sono lacune significative nella nostra comprensione. Sappiamo che dopo l'Era Oscura è iniziata l'epoca della reionizzazione. Questo è quando la formazione di atomi ha portato alla comparsa delle prime strutture nell'Universo, come stelle, galassie nane e quasar. Quando quegli oggetti si formarono, la loro luce si diffuse nell'Universo, reionizzando l'idrogeno neutro. Successivamente, l'idrogeno neutro è scomparso dallo spazio interstellare.
Gli scienziati vogliono sapere in che modo l'idrogeno neutro è cambiato mentre l'Età Oscura ha lasciato il posto all'epoca della reionizzazione e l'epoca della reionizzazione si è aperta. Le prime stelle che si formarono nell'Universo furono i mattoni della struttura che vediamo oggi, e per capirle, gli scienziati devono trovare il segnale da quel primo idrogeno neutro.
Ma non è facile. Il segnale è debole e ci vogliono rilevatori estremamente sensibili per trovarlo. Sebbene l'idrogeno neutro inizialmente emettesse la sua radiazione a una lunghezza d'onda di 21 cm, il segnale è stato allungato a causa dell'espansione dell'Universo. Adesso sono circa 2 metri. Quel segnale di 2 metri è ora facilmente perso tra una miriade di altri segnali simili, sia naturali che causati dall'uomo. Questo è il motivo per cui il MWA si trova nella remota Australia, per isolarlo dal maggior rumore radio possibile.
"Tutte queste altre fonti sono molti ordini di grandezza più forti del segnale che stiamo cercando di rilevare", ha detto Pober. "Anche un segnale radio FM che viene riflesso da un aereo che passa sopra il telescopio è sufficiente per contaminare i dati."
È qui che entra in gioco la potenza di elaborazione del supercomputer Correlator. Ha il potere di scartare i segnali contaminanti e anche di tenere conto della natura del MWA stesso.
"Se osserviamo frequenze radio o lunghezze d'onda diverse, il telescopio si comporta in modo leggermente diverso", ha detto Pober. "Correggere la risposta del telescopio è assolutamente fondamentale per fare la separazione dei contaminanti astrofisici e il segnale di interesse."
La riconfigurazione dell'array, le tecniche di analisi dei dati, la potenza del supercomputer e il duro lavoro dei ricercatori hanno prodotto risultati. Il documento presenta un nuovo limite superiore per il segnale dall'idrogeno neutro. Questa è la seconda volta che gli scienziati che lavorano con il MWA hanno rilasciato un nuovo limite più finemente calibrato. Con continui progressi, gli scienziati sperano di trovare il segnale elusivo stesso.
"Questa analisi dimostra che l'aggiornamento della fase due ha prodotto molti degli effetti desiderati e che le nuove tecniche di analisi miglioreranno le analisi future", ha affermato Pober. "Il fatto che MWA abbia ora pubblicato back-to-back i due migliori limiti del segnale dà slancio all'idea che questo esperimento e il suo approccio abbiano molte promesse."
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