Vedci zachytili stopy najstarších hviezd, môže ísť o prvý dôkaz interakcie tmavej a bežnej hmoty

Astronómovia sa doteraz zhodovali, že po Veľkom tresku nasledovalo dlhé obdobie temna, a kým sa objavili prvé hviezdy, prešlo takmer 200 miliónov rokov.

Súčasné teleskopy nie sú natoľko citlivé, aby zachytili žiaru týchto hviezd priamo, preto vedcom neostávalo nič iné, ako hľadať nepriame dôkazy o ich existencii.

A práve takéto dôkazy získal tím astronómov pod vedením Judda Bowmana z Arizonskej štátnej univerzity.

V štúdii, ktorú v stredu zverejnil odborný časopis Nature, výskumníci opisujú objav stôp signálov z prvých hviezd, z ktorých sa dá vyčítať, ako sa zrodili a osvetlili pradávny vesmír.

https://twitter.com/SciBry/status/968972343308677120

Okno k ranému vesmíru

„Zachytenie tohto nepatrného signálu otvára nové okno k ranému vesmíru,“ povedal Bowman, ktorého tím pracoval na projekte takmer dvanásť rokov a veľký objav vykonal už pred viac než desiatimi rokmi. Výsledky podrobili dôkladnej kontrole, a preto ich zverejnili až teraz.

„Boli sme svedkami nepriamych dôkazov o veľmi skorých hviezdach – hviezdach, ktoré mohli vzniknúť v čase, keď mal vesmír ešte len 180 miliónov rokov,“ povedal podľa New York Times astronóm. „Je nepravdepodobné, že budeme niekedy schopní vidieť ďalej do histórie hviezd,“ dodal.

Fyzik Juraj Tekel z Univerzity Komenského pre Denník N potvrdil, že výskumníci nezachytávajú priamo signál prvých hviezd, ale iba odtlačok v štruktúre žiarenia kozmického pozadia, ktorý tam zanechali zmeny v medzihviezdnom plyne. Tieto zmeny boli spôsobené práve spomínaným žiarením prvých hviezd.

„V dnešnom relatívne veľkom a prázdnom vesmíre, kde je hmota nahromadená do hviezd a galaxií, je hlavným signálom, ktorý po hviezdach zostáva, ich žiarenie. To sa vcelku nerušene šíri priestorom, až kým nedoletí k nám,“ vysvetlil Tekel.

Prvé hviezdy mohli byť modré

V období krátko po vzniku vesmíru to však bolo podľa Tekela zložitejšie. Raný vesmír 180 miliónov rokov po Veľkom tresku expandoval, no jeho najhustejšie oblasti začali pod vplyvom vlastnej gravitácie kolabovať, vďaka čomu sa sformovali prvé hviezdy.

Ich vznik mal dramatický účinok aj na zvyšok vesmíru. Juraj Tekel vysvetľuje, že žiarenie týchto hviezd sa ďaleko nedostalo a bolo pohltené plynom atómov, ktorý jednotlivé hviezdy obklopoval.

„Tým sa zmenili vlastnosti plynu a táto zmena sa nakoniec prejavila v tom, ako plyn reagoval s kozmickým žiarením, ktoré vzniklo ešte v skoršom vesmíre,“ povedal odborník z UK a dodal, že práve tieto stopy žiarenia pozoroval Bowmanov tím.

Vedci zároveň vyjadrili domnienku, že prvé hviezdy mohli mať modrú farbu. Podľa Juraja Tekela odborníci farbu hviezd odhadujú z modelov a počítačových simulácií. „Z nich sa zistí, aká veľká a aká horúca musí byť hviezda, v ktorej vzniká dostatok žiarenia na prekonanie vlastnej gravitačnej príťažlivosti. Podľa teploty sa potom určí farba hviezdy.“

Ako mávnutie krídel v oku hurikánu

Paradoxné je, že Bowmanov tím na svoj prevratný objav nepotreboval žiaden veľký teleskop. Na zachytenie signálu použil zariadenie nazvané rádiový spektrometer, ktoré tvarom a veľkosťou pripomína skôr pingpongový stôl než výkonný ďalekohľad.

Anténa spektrometra zachytávala frekvencie, ktoré vysielajú atómy vodíka z počiatku vesmíru, v rozmedzí 50 až 100 megaherzov. Tie sa však prekrývali s viacerými FM rádiovými stanicami, preto musel byť prístroj umiestnený v púšti na západe Austrálie.

„Bola to veľká technická výzva, zdroj zvuku totiž môže byť až tisíckrát jasnejší ako zachytený signál. Predstavte si, že ste v oku hurikánu a snažíte sa zachytiť zvuk mávnutia krídel kolibríka,“ povedal Peter Kurczynski z americkej Národnej vedeckej nadácie (NSF). „Títo vedci s malou rádiovou anténou v púšti dovideli ďalej ako väčšina výkonných vesmírnych ďalekohľadov, čím otvorili nové okno k ranému vesmíru.“

Fyzik Juraj Tekel súhlasí s tým, že experiment sa uskutočnil v skromných podmienkach. „Pri pozorovaní žiarenia kozmického pozadia nie je zložité toto žiarenie zachytiť, ale správne izolovať hľadaný efekt od šumu,“ vysvetlil Tekel podstatu projektu EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature).

V rámci tohto experimentu výskumníci merali priemerné hodnoty rádiového spektra všetkých signálov, ktoré získavali z oblohy na južnej pologuli, a pátrali po drobných zmenách, ktoré mohli vzniknúť vplyvom vlnovej dĺžky.

Nečakané dôkazy o tmavej hmote

Slabý odtlačok zanechaný žiarou najstarších hviezd zároveň priniesol nečakané dôkazy o možnej existencii a povahe tmavej hmoty. Ak zistenia potvrdia aj ďalšie nezávislé observatóriá, bude to znamenať obrovský zlom v poznaní vesmíru. Preto je významná aj súvisiaca štúdia Rennana Barkanu z Telavivskej univerzity, ktorú tiež zverejnil časopis Nature.

Izraelský profesor v štúdii naznačil, že objav Bowmanovho tímu môže byť prvým potvrdeným dôkazom, že tmavá hmota mohla reagovať s bežnými atómami. „Ak je to pravda, bola by to prvá indícia o vlastnostiach tmavej hmoty, teda okrem gravitačnej sily, z ktorej jej existenciu zatiaľ vyvodzujeme,“ povedal Barkana pre portál The Conversation.

Chladnejší medzihviezdny plyn

Ak predpokladáme existenciu tmavej hmoty, experiment môže mať podľa Juraja Tekela významné dôsledky. Získané výsledky totiž možno najjednoduchšie vysvetliť tým, že vlastnosti tmavej hmoty a jej interakcia so štandardnou hmotou sú iné, ako sa predpokladalo.

Vďaka Bowmanovmu objavu vieme, že plyn, ktorý vypĺňal vesmír, bol iba spolovice taký horúci, ako astronómovia pôvodne odhadovali. Dosahoval teplotu až -270 °C, čo je len o tri stupne viac ako absolútna nula (-273,15 °C). Podľa Barkanu je jednou z možností, že prvotný vodík bol schladený pri interakcii s tmavou hmotou, ktorá tiež prenikala vesmírom.

Juraj Tekel súhlasí s hypotézou, že dávny medzihviezdny plyn mohlo ochladiť práve pôsobenie tmavej hmoty. „O tmavej hmote sme mali doteraz informácie iba skrz jej gravitačné pôsobenie. Takto získavame nástroj, ako študovať priamo interakciu medzi svietiacou a tmavou hmotou,“ vysvetlil fyzik.

Zároveň pripomenul, že existujú aj modely vesmíru bez tmavej hmoty. „Uvidíme, ako sa popasujú s novými výsledkami tie. V nich sú efekty, ktoré štandardne pripisujeme tmavej hmote, vyriešené nejako inak. Možno teda očakávať, že výsledky tohto experimentu bude treba zohľadniť aj tam.“

Dostupné z: doi:10.1038/nature25792