Das Flüstern der ersten Sterne löste eine laute Debatte über dunkle Materie aus

Eine kürzliche unerwartete Entdeckung legt nahe, dass das frühe Universum überhaupt nicht so aussah, wie zuvor angenommen. Erste Theorien, wonach die Dunkle Materie für diese Diskrepanz verantwortlich ist, werden kritisiert

Nachrichten über die ersten Sterne im Universum scheinen immer seltsam. Im Juli letzten Jahres erhielt Renan Barkana , ein Kosmologe von der Universität Tel Aviv, eine E-Mail von seinem langjährigen Kollegen Jada Bowman . Bowman leitet eine kleine Gruppe von fünf Astronomen, die in einem abgelegenen Teil Westaustraliens ein Radioteleskop gebaut und in Betrieb genommen haben. Sein Ziel ist es, das Flüstern der ersten Sterne zu entdecken. Bowman und das Team fanden ein nicht ganz klares Signal. Und er bat Barkan, ihm zu helfen, darüber nachzudenken, was genau ein solches Signal auslösen könnte.

Während der Jahre, in denen Radioteleskope den Himmel abtasten, hoffen die Astronomen, die schwachen Signale der ersten Sterne im Universum zu erfassen. Solche Objekte sind zu dunkel und in einer Entfernung von mehr als 13 Milliarden Lichtjahren - zu weit entfernt, um von gewöhnlichen Teleskopen unterschieden zu werden. Stattdessen suchen Astronomen nach Spuren der Auswirkungen dieser Sterne auf das sie umgebende Gas. Bowmans Ausrüstung versucht wie andere Teleskope, einen bestimmten Fehler in der Grafik der Radiowellen zu erkennen, die von den äußersten Rändern des Universums kommen.

Solche Messungen sind furchtbar schwierig durchzuführen, da potenzielle Signale nicht nur in einer Vielzahl von Funksignalen der modernen Gesellschaft verloren gehen können - dies ist einer der Gründe, warum das Experiment in den Hinterhöfen Australiens stattfindet -, sondern auch in Signalen von nahe gelegenen Weltraumquellen wie unserer Milchstraße. Und doch kamen Bowman mit Kollegen und das EDGES-Experiment (Experiment zur Erkennung der globalen Epoche der Reionisierungssignatur - ein Experiment, um Spuren der globalen Ära der Reionisierung zu finden) nach vielen Jahren methodischer Arbeit zu dem Schluss, dass sie nicht nur die ersten Sterne entdeckten, sondern auch fanden Beweise dafür, dass der junge Kosmos viel kälter war als alle dachten.

Barkana war skeptisch. "Einerseits schienen die Messungen zuverlässig zu sein", sagte er. "Auf der anderen Seite war es sehr unerwartet."

Was könnte das frühe Universum kalt aussehen lassen? Barkana überlegte alle Möglichkeiten und erkannte, dass dies auf das Vorhandensein dunkler Materie zurückzuführen sein könnte - eine mysteriöse Substanz, die das Universum füllt und sich gleichzeitig allen Versuchen entzieht, zu verstehen, was es ist und wie es funktioniert. Er fand heraus, dass die Ergebnisse von EDGES als eine völlig neue Art der Wechselwirkung von gewöhnlicher Materie und dunkler Materie interpretiert werden können.

EDGES hat in der Nature-Ausgabe vom 1. März Details zu diesem Signal und der Entdeckung der ersten Sterne im Universum bekannt gegeben. Zusammen mit dem Artikel wurde Barkanas Arbeit veröffentlicht, die diese neue Idee der Dunklen Materie beschreibt. Medien auf der ganzen Welt verbreiteten die Nachricht von der Entdeckung. Die Associated Press schrieb: "Astronomen erhielten einen Blick auf den Beginn des Weltraums, als sich die Sterne anmachten" und fügten hinzu, dass "sie möglicherweise auch mysteriöse dunkle Materie bei der Arbeit entdeckt haben".

Seit der Veröffentlichung der Woche haben Kosmologen auf der ganzen Welt jedoch eine Mischung aus Begeisterung und Skepsis zum Ausdruck gebracht. Forscher, die das Ergebnis von EDGES zum ersten Mal sahen, als es in der Natur erschien, führten ihre eigene Analyse durch und zeigten, dass selbst wenn eine Art dunkle Energie dafür verantwortlich ist, wie Barkan vorschlug, nur ein sehr kleiner Teil davon eine Wirkung haben könnte. (Barkan selbst hat an einigen dieser Studien teilgenommen.) Experimentelle Astronomen sagten jedoch, dass solche Messungen schwer zu vertrauen sind, obwohl sie das EDGES-Team und die strenge Arbeit, die es geleistet hat, respektieren. "Wenn dies keine revolutionäre Entdeckung wäre, wäre es für die Menschen viel einfacher, an die Ergebnisse zu glauben", sagte Daniel Price, Astronom an der Swinburne University of Technology in Australien, und arbeitete an ähnlichen Experimenten. "Lebendige Aussagen erfordern lebendige Beweise."

Diese Botschaft hat sich in der kosmologischen Gemeinschaft seit der Veröffentlichung von Artikeln in der Zeitschrift Nature bestätigt.

Flüsterquelle

Am Tag nachdem Bowman Barkana kontaktiert und ihm von einem unerwarteten EDGES-Signal erzählt hatte, ging Barkana mit seiner Familie zu den Eltern seiner Frau. Während der Reise, sagt er, habe er über das Signal nachgedacht und seiner Frau von einem interessanten Rätsel erzählt, das Bowman ihm erzählt habe.

Bowman, zusammen mit dem EDGES-Team, spürte neutrales Wasserstoffgas, das das Universum in den ersten Millionen Jahren nach dem Urknall füllte. Dieses Gas neigte dazu, Licht zu absorbieren, was zu dem führte, was Kosmologen poetisch "dunkle Zeitalter" nennen. Obwohl der Raum mit gestreutem Hintergrundlicht gefüllt war, absorbierte Reliktstrahlung (RI) - das sogenannte Nachleuchten des Urknalls - dieses neutrale Gas es bei bestimmten Wellenlängen. EDGES suchte genau nach diesem Absorptionsmuster.

Als Sterne im Universum anfingen sich einzuschalten, sollte ihre Energie das Gas erwärmen. Infolgedessen erreichte das Gas eine ausreichend hohe Temperatur und hörte auf, RI zu absorbieren. Die Absorptionssignale hörten auf und das dunkle Zeitalter endete.

Das von EDGES gemessene Absorptionssignal enthält eine Fülle von Informationen. Es wurde gedehnt, während sich das Absorptionsmuster um das expandierende Universum bewegte. Astronomen können diese Strecke verwenden, um abzuschätzen, wie lange das Signal unterwegs war und wann die ersten Sterne eingeschaltet wurden. Außerdem entspricht die Breite des erfassten Signals der Zeit, die das Gas die Strahlung absorbiert hat. Und die Signalintensität - die Menge des absorbierten Lichts - hängt mit der Temperatur des Gases und der Lichtmenge im Raum zu diesem Zeitpunkt zusammen.

Viele Forscher halten dieses letztere Merkmal für das interessanteste. "Diese Absorption erwies sich als viel stärker als wir für möglich gehalten haben", sagte Stephen Furlaneto, Kosmologe an der Universität von Kalifornien in Los Angeles, der untersuchte, was EDGES-Daten für die Bildung der frühesten Galaxien bedeuten könnten.


Die blauen Linien in der Grafik geben die erwartete Absorptionsstärke nach verschiedenen Modellen an. Die rote Linie zeigt die gemessene Absorption.

Die naheliegendste Erklärung für die Signalstärke wäre, dass das neutrale Gas kälter als vorhergesagt war, weshalb es mehr RI absorbieren könnte. Aber wie hat sich das Universum plötzlich abgekühlt? "Wir sprechen über die Zeitspanne, in der sich die Sterne zu bilden begannen", sagte Barkana, "über die Dunkelheit vor dem Morgengrauen." "Also war alles so kalt wie möglich." Die Frage ist: Was könnte noch kälter sein? “

Als er an diesem Julitag auf dem Rasen des Elternhauses seiner Frau parkte, kam ihm die Idee: Könnte es dunkle Materie sein? Tatsächlich interagiert TM offenbar nicht durch elektromagnetische Kraft mit normaler Materie - es absorbiert keine Wärme und gibt sie nicht ab. Daher könnte TM zu Beginn des Universums zunächst viel länger kälter oder kühler sein als normale Materie und dann weiter abkühlen.

In der nächsten Woche arbeitete er an einer Theorie, wie die hypothetische Form von TM, die als „ dunkle Materie mikrogeladener Teilchen “ bezeichnet wird, dafür verantwortlich sein könnte. Mikrogeladene dunkle Materie (MTM) könnte mit gewöhnlicher Materie interagieren, jedoch nur durch schwache Wechselwirkung. Das intergalaktische Gas könnte sich dann abkühlen, „indem einfach Wärme in den Sektor der dunklen Materie abgelassen wird, der nicht mehr sichtbar ist“, erklärte Furlaneto. Barkana beschrieb diese Idee und sandte sie an die Natur.


Renan Barkana

Dann begann er, mit dieser Idee detaillierter und mit Hilfe von Kollegen zu arbeiten. Andere Wissenschaftler taten das Gleiche. Unmittelbar nach dem Erscheinen von Arbeiten in der Natur begannen mehrere Kosmologen-Theoretiker, das Verhalten dieser unerwarteten Art von TM mit dem zu vergleichen, was wir über das Universum wissen - jahrzehntelange Beobachtungen von Röntgenstrahlung, Daten von Supernova-Explosionen, Kollisionsergebnisse in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider und Verständnis Astronomen, wie der Urknall in den ersten Minuten des Universums Wasserstoff, Helium und Lithium produzierte. Wenn es dort MTM gab, sind all diese Beobachtungen sinnvoll?

Aber nichts hat geklappt. Genauer gesagt stellten die Forscher fest, dass MTM nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtzahl der TMs im Universum ausmachen kann - zu klein, um den in EDGES-Daten beobachteten Fehler zu verursachen. "100% TM können auf diese Weise nicht interagieren", sagte Anastasia Fialkov , Astrophysikerin an der Harvard University und Erstautorin eines Papiers, das an die Zeitschrift Physical Review Letters gesendet wurde. Eine andere Arbeit, deren Preprint Barkan und Kollegen an arxiv.org gesendet haben, besagt, dass dieser Prozentsatz noch geringer sein sollte - er darf nicht mehr als 1-2% der Gesamtzahl der MTMs betragen. Unabhängige Gruppen kamen zu dem gleichen Schluss.

Wenn dies kein MTM ist, was kann die unerwartete Signalabsorptionsleistung von EDGES erklären? Eine andere Möglichkeit ist das Vorhandensein von zusätzlichem Hintergrundlicht zu Beginn des Weltraums. Wenn das frühe Universum mehr Radiowellen als erwartet hätte, würde "die Absorption stärker erscheinen, obwohl das Gas selbst das gleiche bleiben würde", sagte Furlaneto. Vielleicht war RI nicht das einzige Hintergrundlicht in den Kinderschuhen des Universums.

Und diese Idee ist nicht so seltsam. Im Jahr 2011 berichtete ein Experiment mit einem Ballon, ARCADE 2 , über das Vorhandensein eines Hintergrundfunksignals, dessen Stärke alles übertraf, was von RI erwartet werden konnte. Wissenschaftler können dieses Ergebnis immer noch nicht erklären.

Nach der Entdeckung von EDGES haben mehrere Gruppen von Astronomen die Daten überarbeitet. Eine Gruppe untersuchte die Möglichkeit , Daten mit BH zu erklären, da diese die hellsten extragalaktischen Quellen für Funkemissionen am Himmel sind. BHs emittieren jedoch auch andere Arten von Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlen, die im frühen Universum nicht beobachtet werden. Daher stehen Astronomen der Idee skeptisch gegenüber, dass BHs die Antwort sein könnten.

Ist das Signal echt?

Die vielleicht einfachste Erklärung für das, was passiert, ist, dass die Daten einfach falsch sind. Messungen sind extrem schwierig. Nach allem zu urteilen, hat das EDGES-Team jedoch alles getan, um ihre Daten zu überprüfen und zu überprüfen - Price nannte das Experiment „selektiv“ -, was bedeutet, dass es äußerst schwierig sein wird, Daten zu finden, wenn die Daten fehlerhaft sind.


Diese Antenne für das EDGES-Experiment wurde 2015 an einem abgelegenen Ort in Westaustralien in Betrieb genommen, an dem praktisch keine Funkstörungen auftreten

Das EDGES-Team startete seine Funkantenne im September 2015. Bis Dezember hatten sie das Signal bereits gesehen, sagte Raul Monsalve , ein experimenteller Kosmologe an der Universität von Colorado in Boulder und Mitglied des EDGES-Teams. "Wir waren ihm sofort misstrauisch, weil er stärker war als erwartet."

So begann ihr Due-Diligence-Marathon. Sie bauten eine ähnliche Antenne und installierten sie 150 Meter vom ersten entfernt. Sie drehten die Antennen, um Umwelteinflüsse und Werkzeuge zu eliminieren. Sie verwendeten separate Kalibrierungs- und Analysetechniken. "Wir haben alle möglichen Tests und Experimente durchgeführt, um die Wahrscheinlichkeit zu beseitigen, dass das Signal aus der Umgebung oder einer anderen Quelle stammt", sagte Monsalve. - Zuerst haben wir uns nicht geglaubt. Wir dachten, dass ein so starkes Signal sehr verdächtig aussieht, deshalb haben wir so viel Zeit für die Veröffentlichung gebraucht. “ Sie sind überzeugt, dass sie das Signal sehen und dass das Signal unerwartet stark ist.

"Ich glaube an das Ergebnis", sagte Price, betonte jedoch, dass die Daten noch auf systematische Fehler überprüft werden müssen. Er erwähnte einen Bereich, in dem das Experiment den Fehler im Prinzip übersehen könnte: Die Empfindlichkeit einer Antenne hängt von der beobachteten Frequenz und Richtung des Eintreffens des Signals ab. Astronomen können diese Unvollkommenheiten berücksichtigen, indem sie sie entweder messen oder modellieren. Bowman und Kollegen beschlossen, sie zu modellieren. Price schlägt vor, dass Mitglieder des EDGES-Teams stattdessen einen Weg finden, sie zu messen und dann das Signal unter Berücksichtigung des gemessenen Effekts erneut zu analysieren.

Der nächste Schritt besteht darin, dieses Signal auf einem anderen Funkdetektor erkennen zu lassen, was bedeuten würde, dass das Signal vom Himmel kommt und nicht von der Antenne oder dem EDGES-Modell. Wissenschaftler des LEDA- Projekts (Experiment mit großer Apertur zur Erkennung des dunklen Zeitalters - ein Experiment mit großer Apertur zur Erkennung des dunklen Zeitalters) in Kalifornien im Owens Valley analysieren derzeit Daten mit diesem Tool. Dann müssen sie bestätigen, dass das Signal kosmologischer Natur ist und nicht irgendwo in unserer Milchstraße erzeugt wird. Dies ist keine leichte Aufgabe. Die Funkemission unserer Galaxie kann tausendfach stärker sein als kosmologische Signale.

Im Allgemeinen beziehen sich Forscher auf EDGES-Messungen und ihre Interpretation mit einem gesunden Anteil an Skepsis, wie Barkana und viele andere sagen. Wissenschaftler sollten skeptisch gegenüber den ersten Messungen dieser Art sein - so können Sie die Zuverlässigkeit der Beobachtungen, die Genauigkeit der Analyse und das Fehlen von Fehlern im Experiment garantieren. So sollte Wissenschaft funktionieren. "Wir stellen Fragen, forschen, schließen falsche Gelegenheiten aus", sagte Tomer Volanski, ein Spezialist für Teilchenphysik an der Universität Tel Aviv, der mit Barkana an einem der Werke zusammengearbeitet hat. "Wir suchen die Wahrheit." Wenn die Wahrheit ist, dass es kein TM ist, dann ist es kein TM. "