Một nhóm các nhà khoa học làm việc với kính viễn vọng vô tuyến Murchison Widefield Array (WMA) đang cố gắng tìm tín hiệu từ các ngôi sao đầu tiên của Vũ trụ. Những ngôi sao đầu tiên được hình thành sau thời đại vũ trụ tối tăm vũ trụ. Để tìm ra ánh sáng đầu tiên của họ, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm tín hiệu từ hydro trung tính, loại khí thống trị Vũ trụ sau thời kỳ đen tối.
Phải mất một thời gian để các ngôi sao đầu tiên hình thành. Sau Vụ nổ lớn, vũ trụ vô cùng nóng bỏng; quá nóng để các nguyên tử hình thành. Không có nguyên tử, không thể có ngôi sao. Cho đến khoảng 377.000 năm sau Vụ nổ lớn, Vũ trụ đã giãn nở và đủ lạnh để các nguyên tử hình thành, chủ yếu là hydro trung tính với một ít helium. (Và dấu vết của lithium.) Sau đó, những ngôi sao sớm nhất bắt đầu hình thành, trong Kỷ nguyên tái sinh.
Để tìm ra tín hiệu khó nắm bắt từ hydro trung tính đó, MWA đã được cấu hình lại. MWA ở vùng Tây Úc xa xôi, và nó có 2048 ăng ten vô tuyến được bố trí thành 128 viên gạch, khi nó bắt đầu hoạt động vào năm 2013. Để tìm kiếm tín hiệu hydro trung tính khó nắm bắt, số lượng gạch đã tăng gấp đôi lên 256 và toàn bộ mảng là sắp xếp lại. Tất cả dữ liệu từ các máy thu này được đưa vào một siêu máy tính gọi là Correlator.
Một bài báo mới sẽ được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn trình bày kết quả từ phân tích dữ liệu đầu tiên từ mảng được cấu hình mới. Bài báo có tiêu đề Kết quả quang phổ năng lượng EoR giai đoạn II của MWA tại Redshift 7. Nhà nghiên cứu chính là Wenyang Li, nghiên cứu sinh tại Đại học Brown.
Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu cường độ tín hiệu từ hydro trung tính. Phân tích đặt giới hạn thấp nhất cho tín hiệu đó, một kết quả chính trong việc tìm kiếm tín hiệu mờ nhạt.
Chúng tôi có thể tự tin nói rằng nếu tín hiệu hydro trung tính mạnh hơn giới hạn mà chúng tôi đặt ra trong bài báo, thì kính viễn vọng sẽ phát hiện ra nó, ông Jonathan Pober, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Brown và là tác giả tương ứng của giấy mới. Những phát hiện này có thể giúp chúng ta hạn chế hơn nữa thời điểm khi thời kỳ đen tối của vũ trụ kết thúc và những ngôi sao đầu tiên xuất hiện.
Mặc dù trông giống như một dòng thời gian chi tiết của các sự kiện trong Vũ trụ ban đầu, có những khoảng trống đáng kể trong cách hiểu của chúng ta. Chúng ta biết rằng sau thời kỳ đen tối, Kỷ nguyên tái sinh bắt đầu. Điều đó khi sự hình thành của các nguyên tử dẫn đến sự xuất hiện của các cấu trúc đầu tiên trong Vũ trụ, như các ngôi sao, các thiên hà lùn và các quasar. Khi những vật thể đó hình thành, ánh sáng của chúng lan rộng khắp Vũ trụ, tái ion hóa hydro trung tính. Sau đó, hydro trung tính biến mất khỏi không gian giữa các vì sao.
Các nhà khoa học muốn biết hydro trung tính đã thay đổi như thế nào khi Thời kỳ đen tối nhường chỗ cho Kỷ nguyên Reionization, và Kỷ nguyên Reionization mở ra. Những ngôi sao đầu tiên hình thành trong Vũ trụ là những khối cấu trúc mà chúng ta thấy ngày nay và để hiểu chúng, các nhà khoa học cần tìm ra tín hiệu từ hydro trung tính ban đầu đó.
Nhưng điều đó không dễ dàng. Tín hiệu mờ nhạt, và phải mất các máy dò cực kỳ nhạy cảm để tìm thấy nó. Mặc dù ban đầu hydro trung tính phát ra bức xạ của nó ở bước sóng 21 cm, tín hiệu đã bị kéo dài do sự giãn nở của Vũ trụ. Nó bây giờ khoảng 2 mét. Tín hiệu 2 mét đó giờ dễ dàng bị mất giữa một loạt các tín hiệu khác giống như nó, cả tự nhiên và do con người gây ra. Đó là lý do tại sao MWA ở Úc xa xôi, để cách ly nó khỏi tiếng ồn radio nhiều nhất có thể.
Tất cả các nguồn khác này đều có nhiều đơn đặt hàng có cường độ mạnh hơn tín hiệu mà chúng tôi đang cố gắng phát hiện, theo Po Pober. Ngay cả một tín hiệu vô tuyến FM mà FM phản xạ từ một chiếc máy bay tình cờ vượt qua kính viễn vọng cũng đủ làm ô nhiễm dữ liệu.
Đây là nơi mà sức mạnh xử lý của siêu máy tính Correlator xuất hiện. Nó có khả năng loại bỏ các tín hiệu gây ô nhiễm và cũng để giải thích cho bản chất của chính MWA.
Nếu chúng ta nhìn vào các tần số vô tuyến hoặc bước sóng khác nhau, kính thiên văn hành xử hơi khác một chút, thì Po Pober nói. Việc sửa lỗi cho phản ứng của kính viễn vọng là cực kỳ quan trọng để thực hiện việc phân tách các chất gây ô nhiễm thiên văn và tín hiệu đáng quan tâm.
Việc cấu hình lại mảng, các kỹ thuật phân tích dữ liệu, sức mạnh của siêu máy tính và công việc khó khăn của các nhà nghiên cứu đã tạo ra kết quả. Bài báo trình bày một giới hạn trên mới cho tín hiệu từ hydro trung tính. Đây là lần thứ hai các nhà khoa học làm việc với MWA đã đưa ra một giới hạn mới, tinh chỉnh hơn. Với sự tiến bộ liên tục, các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm thấy tín hiệu khó nắm bắt.
Phân tích này cho thấy việc nâng cấp giai đoạn hai có rất nhiều hiệu ứng mong muốn và các kỹ thuật phân tích mới sẽ cải thiện các phân tích trong tương lai, theo Po Pober. Sự thật rằng MWA hiện đã công bố ngược lại hai giới hạn tốt nhất về tín hiệu mang lại động lực cho ý tưởng rằng thí nghiệm này và cách tiếp cận của nó có rất nhiều hứa hẹn.
Hơn:
- Thông cáo báo chí: Các nhà khoa học nhích gần hơn bao giờ hết để báo hiệu từ bình minh vũ trụ
- Tài liệu nghiên cứu: Kết quả quang phổ công suất EoR giai đoạn II của MWA tại Redshift 7
- Đài thiên văn MIT Haystack: Kỷ nguyên tái sinh
- Tạp chí vũ trụ: Kỷ nguyên tái định vị thiên hà sớm
