Innan de första stjärnorna kom till var universum en kall, stjärnlös utbredning av vätgas, överflödande med strålning från den kosmiska bakgrunden. Denna strålning genomsyrar fortfarande hela världsrymden än idag, och astronomer har börjat granska denna kosmiska bakgrund för ledtrådar till händelser som inträffade långt in i det förflutna.
Men nu har astronomer hittat en signal som tros vara från de allra första stjärnorna som dök upp och lyste upp universum. Teleskop kan inte direkt avbilda sådana urgamla stjärnor, men spår av dem efterlämnas i form av radiovågor. Den ytterst svaga signalen som upptäcktes av ett forskningslag som leds av Judd Bowman vid Arizona State University, USA, har öppnat ett nytt fönster in till det tidigare universum (artikel i Nature; pressmeddelande från CSIRO; pressmeddelande från NSF).
De svaga radiosignalerna man hittat tyder på att universum togs ut ur det totala mörkret ca 180 miljoner år efter det att big bang inträffade, i en relativt kortvarig övergång som kallas för den kosmiska gryningen.
Det ljussvaga avtryck efterlämnat av ljuset från de tidigaste stjärnorna innehåller även ny och oväntade bevis om existensen och naturen av mörk materia. Någonting som, uti fall att det bekräftas av oberoende observationer, skulle markera ännu ett stort genombrott.
Innan återjoniseringen och uppkomsten av de första stjärnorna var universum i en period som kallas för universums mörka år eller mörka ålder, helt utan några källor av visuellt ljus. Under denna mörka period drog gravitationen åt sig allt mer kompaktare regioner av gas till klumpar som slutligen kollapsade inåt för att forma de allra första stjärnorna. Dessa var massiva, blåa och kortlivade. När stjärnorna började lysa upp den omgivande gasen fick de väteatomerna att börja absorbera strålning från den kosmiska bakgrundsstrålningens vid en viss karaktäristisk våglängd.
Detta har lett till att forskare kan förutse att den kosmiska gryningen måste ha satt sin prägel i den kosmiska bakgrundsstrålningen i form av en dipp i ljusstyrka vid en specifik punkt i spektrumet. Enligt teorin så borde denna dipp vara synlig än idag. I praktiken har det visat sig att hitta denna signal är ytterst svårt. Ljusdippen översvämmas enkelt av andra mer lokala källor av radiovågor och signalen har undkommit astronomers observationer i mer än ett decennium. Även expansionen av universum komplicerar letandet då signalen är rödförskjuten bortåt från dess originella våglängd. Så forskare var inte helt säkra på exakt var i spektrat de skulle leta, och vissa trodde att uppgiften skulle visa sig vara omöjlig. De behöver söka efter en signal som är omkring 0.01% av det kontaminerade radiobruset som kommer från våran egen galax, helt klart jämförtbart med att leta efter en nål i höstack.
Otroligt nog så verkar Bowman och kollegor ha överkommit dessa odds genom att använda en antenn i västra Australien, kallat EDGES. Denna antenn är placerad i ett område där ytterst få mänskliga källor av radiovågor kan komma ivägen för avlägsna signaler från universum. I artikeln som är publicerad i Nature beskriver Bowman med kollegor i detalj hur de gick till väga för att utveckla de experimentsteg de tog använde för att visa att signalen var äkta — med flera år av replikation, byte av vinklar, antenner och ändrad uppsättning.
Våglängden av dippen föreslår att den kosmiska gryningen inträffade några 180m år efter big bang, ca 13,6 miljarder år sedan, och 9 miljarder år innan solen kom till. Upptäckten innehåller också en stor överraskning. Storleken på dippen var nästan dubbelt så stor som förväntat. Detta föreslår att den ursprungliga vätgasen absorberade mer backgrundsstrålning än tidigare förutspått och indikerar för att universum var betydligt kallare än man trodde tidigare, nära -270 grader Celsius.
Rennan Barkana, professor inom astrofysik vid Tel Avivs universitet föreslår en banbrytande förklaring: att vätgasen förlorade värme till mörk materia. Hittills har mörk materia, som tros uppgöra ca 85% av all materia i universum, bara blivit indirekt mätt utifrån dess gravitationella påverkan. Om bekräftat skulle dessa resultat kunna visa till en ny form av interaktion mellan normal materia och mörk materia, förmedlad av en fundamental kraft som som hittills varit helt okänd. Teorin skulle också föreslå att de partiklar som utgör mörk materia, vilka egenskaper förblir ett mysterium, måste vara lätta istället för tunga — vilket skulle utesluta den ledande hypotesen för mörk materia kandidater, kända som svagt interagerande massiva partiklar — (weakly interacting massive particles — WIMPS).
Just nu samlas forskare för att försöka reproducera signalen på andra håll, och hitta lämpliga platser för radioteleskop som ska kunna ge ny information. Samtidigt som olika forskningslag beger sig till avlägsna platser på jorden såsom den tibetanska platån och avlägsna öar i antarktisk för att förminska bruset i sina observation så försöker teoretiker komma på fler förklaringar till signalen.
