در یک آزمایش ساده، یک سیگنال از اولین ستاره های تشکیل شده در ۱۸۰ میلیون سال پس از مهبانگ کشف شده است. این مشاهدات نشانه های وسوسه انگیزی برای منشا ماده تاریک دارد.

براساس مشاهدات جدید تیمی از ستاره شناسان رادیویی امریکا، اولین ستاره ها ۱۸۰ میلیون سال بعد از مهبانگ شروع به درخششیدن کردند. مستندات آن از انتشار گاز هیدروژن خنثی در عالم اولیه بدست آمده است. اما مشاهدات مشابه این گاز را سردتر از حد انتظار نشان میدهد که میتواند به دلیل برهمکنش غیرگرانشی اتم های آن با ذرات ماده تاریک باشد.
مایکل برنتجنس (موسسه نجوم رادیویی هلند) که در این پژوهش حضور نداشت میگوید: این قدم اول و مهمی در آشکار ساختن چگونگی رفتار عالم در زمان های اولیه است.
در طول سال ها، منجمان در تلاش بودند تا هیدروژن خنثی عالم اولیه را بوسیله آشکارساز های طیف نشری موج رادیویی ۲۱ سانتیمتری بیابند و بفهمند چطور پرتوهای پرانرژی ستاره ها و کهکشان های اولیه گاز اطراف را گرم و یونیزه کرده اند. این پدیده در حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ، معروف به دوره بازیونش، رخ داده است. در این زمان حباب های گاز یونیزه رشد کرده و در عالم پخش شده اند. البته تاکنون موفق نبودند.

نمودار زمانی عالم، پیدایش اولین ستاره ها ۱۸۰ میلیون سال پس از مهبانگ را نشان میدهد. گاز هیدروژن خنثی توسط پرتوهای پرانرژی ستاره ها یونیزه و در عالم منتشر شد.
بنیاد ملی علوم  N.R.Fuller

سفر امواج رادیویی در عالم درحال انبساط برای ۱۳.۷ میلیارد سال، باعث کشیده شدن آن ها و افزایش طول موجشان تا چند متر میشود. این طول موج متناظر با فرکانس ضعیف برای آشکارسازی (در حدود ۲۰۰ مگاهرتز) است. علاوه براین، سیگنال ها در امواج حرکت دورانی الکترون ها حول خطوط میدان مغناطیسی راه شیری، نویز ابزار و دستگاه ها و امواج رادیویی تولید شده بر روی زمین، غرق میشوند.

کشف اولین ستاره ها
اکنون، جاد بومن (ایالت آریزونا امریکا)، الن روگرز (رصدخانه ام آی تی) و همکارانشان به روی فرکانس های پایین تر، ۵۰ تا ۱۰۰ مگاهرتز، متناظر با زمان های دورتر و عالمِ جوان تر متمرکز شده اند. آنها از یک آشکار ساز نسبتا ارزان به نام EDGES  (آزمایش کشف اثر دوره جهانی بازیونش) که با سرمایه گزاری بنیاد ملی علوم در رصدخانه نجوم رادیویی استرالیا قرار گرفته است، استفاده کردند. اندازه آن حدودا برابر یک میز بزرگ است و به خوبی با فرکانس های پایین کالیبره شده است. در این ساختار از کمترین قطعات الکترونیکی ممکن برای جلوگیری از دخالت امواج کم بسامد استفاده شده است.

متن زیر تصویر۲: طیف سنج رادیویی زمینی EDGES در رصدخانه نجوم رادیویی استرالیا CSIRO Australia

درمراحل اولیه تحول عالم، متناظر با انتقال به سرخ(ردشیفت) ۱۵ تا ۲۰، تابش زمینه کیهانی- تابش باقی مانده از مهبانگ- از تمام گاز هیدروژن خنثی موجود در عالم گرم تر بوده است. درنتیجه، گاز هیدروژن نه به دلیل تابش موج رادیویی ۲۱سانتی متری بلکه به دلیل جذب آن نورمیدهد.
براساس گزارش این تیم در نسخه اول مارس مجله نیچر، EDGES با موفقیت توانسته مشخصه جذب را بوسیله میانگین گیری روی تمام آسمان بدست آورد. این شیب ملایم در طیف رادیویی روی فرکانس ۷۸ مگاهرتز(طول موج ۳.۸۴متر) قرار گرفته است. اگر این سیگنال واقعا یک طول موج جذبی ۲۱ سانتی متری ردشیفت یافته باشد، زمان انتشار آن متناظر با ۱۸۰ میلیون سال پس از مهبانگ است. این اولین کشف مستقیم گاز هیدروژن است. آنها توانستند نویز دستگاه که دراین فرکانس پایین نگران کننده است را دور بزنند و امیدوارند در زمانی نه چندان دور سیگنال نشری گاز هیدروژن را هم دریافت کنند. دریافت سیگنال نشری گاز هیدروژن خنثی نسبت به سیگنال جذبی آن اطلاعات بیشتر و ارزشمندتری درباره زمان و چگونگی فرایند بازیونش در اختیار دانشمندان میگذارد.
ابزارهای مشاهده این انتشار شامل تلسکوپ LOFAR (آرایه کم بسامد) در هلند، آرایه میدان گسترده در استرالیا غربی و HERA (آرایه دوره بازیونش هیدروژن) در آفریقا جنوبی است. تاکنون این ابزارها نتوانسته اند سیگنال نشری را دریافت کنند اما خیلی نزدیک شده اند.
دریافت سیگنال جذبی توسط EDGES نشان میدهد که اولین ستاره ها باید در زمانی که سن عالم ۱۸۰ میلیون سال بوده، تشکیل شده باشند. پس از تشکیل ستاره ها، نورفرابنفش آنها سطح انرژی اتم های هیدروژن را تغییر میدهد و آنها را از تعادل با تابش زمینه کیهانی خارج میکند و باعث میشود هیدروژن مقداری از تابش زمینه را جذب کند و یک شیب کوچک در طیف بوجود آورد که ما میتوانیم آن را مشاهده کنیم. بدون حضور ستاره ها هیدروژن نمیتوانست این سیگنال را تولید کند.

نشانه های ماده تاریک
شدت طیف جذبی مشاهده شده بیش از حد انتظار بود و باعث شگفتی دانشمندان شد. چون اختلاف دمای میان تابش زمینه کیهانی و گاز هیدروژن تعیین کننده شدت مشخصه جذب است، شیب تندتر میتواند به معنی گرم تر بودن تابش زمینه از حدانتظار یا سردتر بودن گاز هیدروژن از حدانتظار باشد.
تصور اینکه دمای تابش زمینه بیشتر از ۵۰ کلوین (۵۰درجه بالای صفر مطلق) باشد در زمانی که سن عالم ۱۸۰ میلیون سال بوده، سخت است زیرا میتوانیم آن را با دقت بالا اندازه گیری کنیم. پس درعوض دمای گاز هیدروژن باید کمتراز مقدار پیش بینی تئوری باشد یعنی کمی بیش از ۳کلوین بجای ۷کلوین پیش بینی شده.

اخترفیزکدان نظری، رِنان بارکانا (دانشگاه تل آویو، اسرائیل) استدلال میکند که گاز هیدروژن به وسیله برهمکنش غیرگرانشی با ذرات ماده تاریک میتواند دمای کمتری داشته باشد.
درواقع، بیشتر نظریه های مربوط به ماده تاریک، برهمکنش های بسیار ضعیف میان ماده معمولی و ماده تاریک را از طریق برخورد و پراکندگی پیش بینی میکنند. بارکانا براساس نتایج EDGES مقدار کوچکی جرم و سرعت نسبیتی برای ذرات ماده تاریک پیش بینی میکند- حداکثر چندبرابر جرم پروتون. این نتایج نشان میدهد که کیهان شناسی ۲۱ سانتی متری میتواند بعنوان کاوش ماده تاریک استفاده شود.
روگرز معتقد است فعلا برهمکنش ماده تاریک تنها راه پیشنهادی برای گرفتن دمای کمتر و رسیدن به مقدار جذب مشاهده شده است. او میگوید: فکر میکنم هنوز برای نتیجه گیری زود است.
دریافت سیگنال جذبی بسیار دشوار است. در فرکانس ۷۸ مگاهرتز، تابش زمینه کیهانی حدود ۱۰،۰۰۰ باز ضعیف تر از نویز های چشمه های روی زمین است. مانند ایستادن درمیان طوفان و گوش دادن به صدای بال زدن یک پرنده است‌.
بومن میگوید ما اولین گروه برای شروع این تکنیک بودیم. بعد از ۱۲ سال اندازه گیری و ۲سال امتحان و آزمایش برای از بین بردن خطا ابزاری، او میخواهد ببیند نتیجه یکسان تکرار میشود. چندین گروه دیگر در دنیا آزمایش های مشابهی را طراحی کرده اند و نزدیک بدست آوردن اندازه گیری های مشابهی هستند. قدم بعدی در روند علمی این است که یک گروه دیگر با استفاده از ابزار متفاوت کشف ما را اثبات کند.

منبع : SkyandTelescope