10 augustus 2020

Speurtocht naar neutraal waterstofgas in ‘donkere eeuwen’ vroege heelal heeft nieuwe limiet opgeleverd

Een deel van de mWA onder de nachthemel. Credit: Goldsmith/MWA Collaboration/Curtin University

Sterrenkundigen doen met de Murchison Widefield Array (MWA) radiotelescoop in Australië pogingen om een signaal op te vangen van neutraal waterstofgas, het gas waaruit het merendeel van de materie bestond in de zogeheten ‘donkere eeuwen’ van het vroege heelal. De laatste waarnemingen met de MWA hebben dat signaal nog niet laten zien, maar wel heeft men een nieuwe limiet weten te stellen voor de sterkte van het signaal – lees hier het vakartikel erover, te verschijnen in The Astrophysical Journal. De donkere eeuwen van het heelal begonnen 380.000 jaar na de oerknal, toen het moment van ‘het oppervlak van de laatste verstrooiing‘ aanbrak, het moment dat het heelal door z’n uitdijing genoeg was afgekoeld om de positief geladen protonen en de negatief geladen elektronen te koppelen (‘recombineren’) aan elkaar, zodat ze neutraal waterstof konden vormen.

Voorstelling van de verschillende periodes in het heelal. Credit: NAOJ/ NOAO.

Vanaf dat moment hadden de fotonen een vrije doortocht en vormden ze de straling die we nu waarnemen als de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Die achtergrondstraling is waargenomen door ruimtetelescopen zoals WMAP en Planck, maar van het neutrale waterstof uit de donkere eeuwen is tot nu toe nog niets vernomen. Dát die periode de donkere eeuwen wordt genoemd, wekt wellicht verbazing als je leest dat fotonen (lichtdeeltjes) vrij konden reizen, maar het punt is dat er in de eerste periode van de donkere eeuwen totaal geen sterren en sterrenstelsels waren. Pas toen na enkele honderden miljoenen jaren de eerste sterren ontstonden – de Populatie III sterren geheten – brak geleidelijk een nieuwe fase aan, de ‘Epoch of Reionization’ (EoR). De eerste sterren straalden enorm veel UV-straling uit en het neutrale waterstofgas in hun omgeving begon te ioniseren, de elektronen werden weggestoten van de atoomkernen.

De MWA. Credit: Goldsmith/MWA Collaboration/Curtin University

Terug naar dat neutrale waterstofgas, dat ze met de 2.048 radioantennes van de MWA in de woestijn van Australië proberen te detecteren. Zoals de Nederlander Hendrik v.d. Hulst in 1944 als eerste voorspelde zend waterstof straling uit bij een golflengte van 21 cm (1420,4 MHz). Door de uitdijing van het heelal wordt de golflengte van die straling roodverschoven en in ons heelal zou de straling een golflengte van twee meter moeten hebben, precies de golflengte die ze met de MWA kunnen zien. Probleem is alleen dat er ook andere bronnen zijn, die bij die golflengte uitzenden, aardse bronnen zoals gewone FM-radio, maar ook bronnen uit de Melkweg en daarbuiten. Het is dus zaak dat de onderzoekers alle signalen die ze ontvangen filteren en proberen om het zeer zwakke signaal van het neutrale waterstof uit die donkere eeuwen te distilleren. Dat is tot nu toe nog niet gelukt, maar wel heeft men een nieuwe limiet kunnen stellen aan de sterkte van het signaal van het neutrale waterstofgas, ?² < 2,39×10³ mK² op een afstand van 12,8 miljard lichtjaar (roodverschuiving z=6,5). De speurtocht gaat verder. Bron: Brown Universiteit.

Comments

  1. De oplossing van het “probleem” staat op de achterkant van de maan, maar het schiet niet erg op. https://www.kuuke.nl/china-neemt-nederlandse-antenne-mee-op-reis-naar-de-maan/

    • Dat zou lullig voor ‘Down Under’ zijn, as die Chinezen hen te snel af wezen….

      Maar kennelijk is er nog niks gevonden…
      Stel nu eens dat de theorie niet helemaal klopt: dat de ouderdom van de transparantie of de uitdijingssnelheid van de afgelopen 13.500 miljoen jaar anders is geweest, ligt de golflengte van neutraal waterstof (H) ** dan bij een andere golflengte, ergens tussen 1,5 en 3,0 meter?

      ** Volgens mij gaat het om atomair Waterstof (H) één proton met één electron, en niet om Waterstofgas H2, een covalente binding van 2 Waterstof atomen die samen een molecule vormen.

      NB Is de verwachte 2-meter Waterstoflijn in het spectrum een losse zelfstandige lijn, of is het de 21-cm lijn die asymmetrisch naar de hoge golflengte is uitgerekt, en bij de ‘donkere eeuwen zijde’ plots wordt afgekapt. Me dunkt dat ‘nu’ ook de spin van Waterstof electronen omklappen, net als bv 5, 10 of 13 miljard jaar geleden. ‘Elk’ met zijn ‘eigen’ karakteristieke roodverschuiving. Maar plots bij de donkere eeuwen ( de niet transparante periode) was er geen binding tussen electronen en protonen: kon de spin ook niet omklappen… ? 😕

      Groet, Paul

      (Benieuwd naar uw commentaar en inzicht. 😕 🙂 )

      • @Paul, het begon allemaal met EDGES en daarover is al veel gepubliceerd, ook in Astroblogs en zie link. https://www.haystack.mit.edu/ast/arrays/Edges/ met hierin de link van het Nature artikel en een mooie video. Het probleem is dat er weer dark matter nodig is om de data te verklaren, vandaar dat het experiment met grotere nauwkeurigheid moet worden herhaald met een array of beter nog, “the dark side of the moon”. De bandbreedte van het gat bij 78 Mhz (ca. 19 Mhz, halve amplitude) geeft de vermeende ionisatie periode aan dat je gewoon in tijd kan vertalen. Probleem is de signaal/ruis verhouding, maar feitelijk is het gras met EDGES al weggemaaid en zit men te wachten op verificatie van het experiment met nog harder bewijs, omdat de signalen nogal selectief bewerkt zijn met software filters vanwege “man made noise”, thermische ruis en atmosferische invloeden (D, E en F laag ionisatie door de zon) bij m.n. de lagere frequenties die ook nog door dag/nacht, daglengte en zonnevlekken worden beïnvloedt.

  2. “Meeuwendeel”. Ik vind hem leuk.

  3. Zal vanavond op de 2 meter band, tussen de verbindingen door proberen,
    of ik nog nog wat neutraal waterstofgas kan detecteren. : – )

    groet van Mardi – pd0rag

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: