Vor langer Zeit, Millionen von Jahren bevor der erste Stern zum Leben erwachte, war das gesamte Universum ein Meer der Dunkelheit.
Dieses sogenannte dunkle Zeitalter des Universums begann ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall und dauerte Hunderte Millionen Jahre. Es war das letzte Mal, dass der leere Raum wirklich leer war. Keine Planeten, keine Sonnen, keine Galaxien, kein Leben - nur ein Nebel von Wasserstoffatomen, die vom Urknall geschmiedet wurden und durch die Dunkelheit schwappen.
Heute versuchen Teleskope auf der ganzen Welt, einen Blick auf diesen ursprünglichen Wasserstoff (bekannt als neutraler Wasserstoff) zu werfen, um den Moment zu bestimmen, in dem das dunkle Zeitalter endlich endete und sich die ersten Galaxien bildeten. Während diese alten Atome schwer fassbar bleiben, ist ein Forscherteam im australischen Outback möglicherweise näher gekommen, sie zu finden als jemals zuvor.
Laut der neuen Studie, die in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde und bald im Astrophysical Journal erscheinen wird, haben Astronomen das Radioteleskop Murchison Widefield Array (MWA) verwendet, um tief in die kosmische Vergangenheit zu blicken und nach der Signaturwellenlänge des neutralen Wasserstoffs zu suchen. Sie fanden nicht das, wonach sie suchten. Mithilfe neuer Einstellungen für das kürzlich aktualisierte Array des Teleskops ermittelte das Team jedoch die niedrigste Grenze, die jemals für die Signalstärke von neutralem Wasserstoff erreicht wurde.
"Wir können mit Zuversicht sagen, dass das Teleskop es erkannt hätte, wenn das neutrale Wasserstoffsignal stärker gewesen wäre als die in der Veröffentlichung festgelegte Grenze", sagte der Co-Autor der Studie, Jonathan Pober, Assistenzprofessor für Physik an der Brown University in Rhode Island. Das bedeutet, dass die Jagd nach diesen alten Molekülen immer noch andauert, und jetzt wissen die Forscher, dass die Fußabdrücke von neutralem Wasserstoff noch schwächer sind als erwartet.
Die ersten Atome
Die Energie, die durch das frühe Universum floss, war so stark, dass jedem Atom die Elektronen weggerissen wurden, was ihnen eine positive Ladung verlieh. Das erste dieser Atome war das positiv geladene Wasserstoffion. Über Hunderttausende von Jahren kühlte und expandierte das Universum so weit, dass diese Wasserstoffionen ihre Elektronen wiedererlangen und wieder neutral werden konnten. Es wird angenommen, dass diese neutralen Wasserstoffatome das dominierende Merkmal des kosmischen dunklen Zeitalters sind. (Als schließlich genug von ihnen zusammengeklumpt waren, um die ersten Sterne zu bilden, wurden die Atome durch die von diesen Sternen abgestrahlte Energie wieder ionisiert.)
Wissenschaftler wissen, dass neutraler Wasserstoff Strahlung mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern emittiert. Da sich das Universum in den letzten 12 Milliarden Jahren erweitert hat, haben sich auch diese Wellenlängen ausgedehnt. Die Autoren der neuen Studie schätzten, dass sich die Wellenlänge des neutralen Wasserstoffs auf etwa 2 Meter ausgedehnt hat - und das ist das Signal, nach dem sie den Himmel nach dem MWA durchsucht haben.
Das Problem ist, dass es viele Quellen gibt (sowohl künstliche als auch himmlische), die mit derselben Wellenlänge strahlen.
"Alle diese anderen Quellen sind um viele Größenordnungen stärker als das Signal, das wir zu erkennen versuchen", sagte Pober. "Selbst ein FM-Radiosignal, das von einem Flugzeug reflektiert wird, das sich zufällig über dem Teleskop befindet, reicht aus, um die Daten zu kontaminieren."
Daher haben Pober und seine Kollegen eine Reihe von Gleichungen geschrieben, um diese Verunreinigungen in ihren Beobachtungen zu identifizieren und auszusortieren. Nachdem die Forscher mehr als 1.200 Funkwellen-Schnappschüsse des Himmels aufgenommen hatten, stellten sie fest, dass jede Spur von 2-Meter-Emissionen, die sie fanden, von einem anderen Ort als dem von ihnen gesuchten neutralen Wasserstoff stammte.
Während das wertvolle Atomsignal unentdeckt bleibt, gelingt es der neuen Forschung, einzugrenzen, wie zukünftige Suchen nach neutralem Wasserstoff aussehen sollten. Laut den Forschern sprechen diese Ergebnisse stark dafür, dass die MWA-Experimente diese Jagd auf den richtigen Weg führen. Mit weiteren Forschungen könnten die letzten Relikte des kosmischen dunklen Zeitalters bald ans Licht gebracht werden.
