De oerknal was misschien helder en dramatisch, maar onmiddellijk daarna werd het universum donker, en voor een zeer lange tijd. Wetenschappers geloven dat de eerste sterren 200 miljoen jaar na de hete start in een modderige bouillon van materie verschenen. Omdat moderne telescopen niet gevoelig genoeg zijn om het licht van deze sterren rechtstreeks waar te nemen, zoeken astronomen naar indirect bewijs van hun bestaan.
En dus slaagde een team van wetenschappers erin om een zwak signaal van deze sterren op te vangen met behulp van een radioantenne ter grootte van een tafelblad genaamd EDGES. Spectaculaire metingen die een nieuw venster openen naar het vroege heelal, laten zien dat deze sterren 180 miljoen jaar na de oerknal verschenen. Het in Nature gepubliceerde werk suggereert ook dat wetenschappers zouden kunnen heroverwegen waar 'donkere materie' - een mysterieus soort onzichtbare materie - van gemaakt is.
Modellen toonden aan dat de eerste sterren die het universum verlichtten, blauw waren en van korte duur. Ze dompelden het universum onder in een bad van ultraviolet licht. Het allereerste waarneembare signaal van deze kosmische dageraad werd lang beschouwd als een "absorptiesignaal" - een afname van de helderheid bij een bepaalde golflengte - veroorzaakt door de passage van licht en die de fysische eigenschappen van wolken waterstofgas beïnvloedt, het meest voorkomende element in het universum.
We weten dat deze druppel moet worden gedetecteerd in het radiogolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum bij een golflengte van 21 cm.
Complexe meting
Promotie video:
In het begin was er een theorie die dit allemaal voorspelde. Maar in de praktijk is het vinden van zo'n signaal buitengewoon moeilijk. Dit komt omdat het verstrengeld is met veel andere signalen in dit deel van het spectrum die veel sterker zijn - bijvoorbeeld de gemeenschappelijke frequenties van radio-uitzendingen en radiogolven van andere gebeurtenissen in onze melkweg. De reden dat de wetenschappers erin slaagden, was deels omdat het experiment was uitgerust met een gevoelige ontvanger en een kleine antenne, waardoor het relatief gemakkelijk een groot deel van de lucht kon bestrijken.
Om er zeker van te zijn dat elke afname in helderheid die ze vonden te wijten was aan het sterlicht van het vroege universum, keken de wetenschappers naar de Dopplerverschuiving. Dit effect ken je door het verlagen van de toonhoogte als er een auto met zwaailicht en sirene voorbij rijdt. Evenzo, als sterrenstelsels van ons af bewegen als gevolg van de uitdijing van het universum, verschuift het licht naar rode golflengten. Astronomen noemen dit effect "roodverschuiving".
De roodverschuiving vertelt wetenschappers hoe ver een gaswolk van de aarde verwijderd is en hoe lang geleden er, naar kosmische maatstaven, licht uit werd uitgezonden. In dit geval zal elke verschuiving in helderheid die wordt verwacht bij een golflengte van 21 cm, gasbeweging en afstand aangeven. Wetenschappers maten de afname in helderheid die optrad in verschillende kosmische tijdsperioden, tot het moment waarop het universum slechts 180 miljoen jaar oud was, en vergeleken het met zijn huidige staat. Het was het licht van de allereerste sterren.
Hallo donkere materie
Het verhaal houdt daar niet op. Wetenschappers waren verrast om te ontdekken dat de signaalamplitude twee keer zo groot was als voorspeld. Dit suggereert dat het waterstofgas veel kouder was dan verwacht door de microgolfachtergrond.
Deze resultaten werden gepubliceerd in een ander artikel in Nature en gooiden een aashaak voor theoretisch fysici. Dit komt omdat het uit de natuurkunde duidelijk wordt dat gas in deze tijd van het bestaan van het universum gemakkelijk op te warmen was, maar moeilijk af te koelen. Om de extra koeling die bij het signaal hoort te verklaren, moest het gas een interactie aangaan met iets dat nog kouder was. En het enige dat kouder was dan kosmisch gas in het vroege universum was donkere materie. Theoretici moeten nu beslissen of ze het standaardmodel van kosmologie en deeltjesfysica kunnen uitbreiden om dit fenomeen te verklaren.
We weten dat er vijf keer meer donkere materie is dan gewone materie, maar we weten niet waaruit het is gemaakt. Er zijn verschillende varianten van deeltjes voorgesteld die donkere materie zouden kunnen vormen, en de favoriet onder hen is het zwak interagerende massieve deeltje (WIMP).
De nieuwe studie suggereert echter dat het donkere-materiedeeltje niet veel zwaarder mag zijn dan het proton (dat samen met het neutron de atoomkern binnendringt). Dit is ruim onder de massa die voor de WIMP wordt voorspeld. De analyse suggereert ook dat donkere materie kouder is dan verwacht, en biedt een fascinerende kans om "21 cm kosmologie" te gebruiken als sonde voor donkere materie in het universum. Verdere ontdekkingen met gevoeliger ontvangers en minder interferentie van terrestrische radio zouden meer details over de aard van donkere materie kunnen onthullen en misschien zelfs de snelheid waarmee het beweegt aangeven.
Ilya Khel
