MIT とアリゾナ州立大学の研究者は、宇宙の最初の星に注目しています。彼らは、ビッグバンからわずか 1 億 8000 万年後に、星の放射によって活性化された水素ガスのかすかな信号を追跡しました。
すべてはどこから来るのですか？これは、太古の昔から人々が答えたがっている質問の 1 つです。これは非常に複雑な質問ですが、科学は答えをまとめるためにいくつかの断片を提供することができます. MIT とアリゾナ州立大学の研究者によって本日発表された論文は、そのような基本的な部分の 1 つを明らかにしました:水素ガスの最も初期の証拠と、これまでに見た星の点火の最も初期の証拠です。
私たちが来たガス
チームは、EDGES（地球規模の EoR シグネチャを検出するための実験）と呼ばれる、オーストラリア西部の僻地に設置されたテーブルサイズの無線アンテナを使用して、ビッグバンからわずか 1 億 8000 万年後に、水素ガスによって生成された痕跡信号を拾うことができました。これは、宇宙初期に水素が存在したことを示す最も古い証拠です。水素が最も単純で、最初の原子であることを考えると、非常に重要な発見です。チームはまた、この時までにガスが世界で最初の星の痕跡を発見したことも確認できました.
EDGES 装置は、再電離の時代 (EoR) として知られる宇宙の歴史の中で生成された無線信号を受信するように設計されています。この時期に、主に水素ガスで構成された一種の宇宙の原始スープから、世界で最初の光源 (星など) が発生したと考えられています。これまでは、宇宙の物体を変化させるエネルギーが不足していたことが主な原因で、他に多くのことが起こっていませんでした。たとえば、水素は、そのエネルギー状態によって周囲の宇宙背景放射と区別がつかなくなったため、事実上目に見えませんでした。
しかし、これらの光とエネルギー源の誕生により、水素ガスがイオン化され、そのエネルギー状態が変化し、電波としてエネルギーを放出するようになりました。EDGES がまさにそれを拾うように設計されたのです。
しかし、すべてが計画通りに進んだわけではありません。チームがアンテナが受信するように設計された周波数範囲 (100 から 200 メガヘルツ) を調べたところ、信号はほとんど受信されませんでした。
ヴォイド・コールド
彼らが思いついた説明の1つは、この初期の水素が放出する排出量を計算するために使用した理論モデルは、ガスの温度を過大評価していたというものです。そこで彼らは、今回は水素とその環境がほぼ同じ低い温度にあると仮定して、数値を再計算しました。彼らは、50 から 100 メガヘルツの周波数範囲を検索することが最善の策であると判断したため、アンテナを元に戻し、スイッチを再び入れました。
デバイスは、78 メガヘルツ付近を中心とした平坦な吸収プロファイル (つまり、電波スペクトルのディップ) を検出しました。ロジャーズは、その頻度は「ビッグバンから約1億8000万年後」に相当すると付け加え、「これは、私たちがこれまでに持っている水素からの信号の「最も早い」検出であるに違いないと付け加えた.大局的に見ると、宇宙の年齢は少なくとも 110 億年であり、ほとんどの推定ではその年齢は 135 億年以上であることがわかっています。
電波プロファイルは、星と水素の相互作用の理論的予測と一致しています。これらの初期の星体は、紫外線放射をボイドに注ぎ出し、周囲の水素体をイオン化しました。その結果、ガスは背景放射を吸収し始め、単一電子のスピンが変化しました。最終的に、この変化により、原子は 21 センチメートルの特徴的な波長、つまり 1,420 メガヘルツの周波数で、吸収するのではなく放射するようになり、実際に初めて「目に見える」ものになりました。
赤方偏移がこれらの波に影響を与えたため、現在の地球に到達するまでには、100 メガヘルツの範囲のどこかにありました。
しかし、電波スペクトルの落ち込みも、モデルが予測したよりも強く、深いものでした。これは、水素が以前に想定されていたよりも実際に低温であったことを示唆しています。チームは、水素ガスと宇宙全体が以前に推定された温度の 2 倍、約 3 ケルビン、つまり摂氏 -270.15 度 / 華氏 -454 度であったに違いないと推定しています。
発見の端
この研究は、今後長い間、宇宙の初期の歴史を知るための最良の窓となるでしょう。これらの結果を得るには、信じられないほどの科学的努力が必要でした。エンジニアや科学者が EDGES 機器を設計し、再設計し、再校正して、これらの信号を検出できるようになるまでには、何年にもわたる多大な努力が必要でした。 EDGES を構築した組織である国立科学財団の天文科学部門の先端技術および計測器のプログラム ディレクターである Peter Kurczynski 氏は、それを「ハリケーンの真っ只中にいて、ハチドリの羽ばたきを聞こうとしているようなものです。 」
それはオーストラリアのどこにもない場所の真ん中に建設されました (少なくともどこにも四角である必要はありません)。そこは彼らが到達できる最も遠い場所であり、人工の無線信号からの干渉が制限されていたため、信号のいずれかを簡単に圧倒してしまいました。アンテナは受信するように設計されています。
それはまた、私たちが宇宙のこの時期に実際に垣間見た最初のものでもあり、特に重要なものです。結局のところ、これらは宇宙の初期の時代でした.今日私たちが目にするすべてのものの基礎は、その時代に築かれました。
論文「スカイ平均スペクトルの 78 メガヘルツを中心とする吸収プロファイル」がジャーナル Nature に掲載されました .
