Lang geleden, miljoenen jaren voordat de eerste ster tot leven kwam, was het hele universum een zee van duisternis.
Ongeveer 400.000 jaar na de oerknal begonnen en honderden miljoenen jaren duren, markeerde dit zogenaamde donkere tijdperk van het universum de laatste keer dat lege ruimte echt leeg was; geen planeten, geen zonnen, geen melkwegstelsels, geen leven - alleen een mist van waterstofatomen die door de oerknal zijn gesmeed en die door de duisternis is gaan klotsen.
Tegenwoordig proberen telescopen over de hele wereld een glimp op te vangen van die oer-waterstof (ook wel neutrale waterstof genoemd) om het moment te bepalen waarop de donkere eeuwen definitief eindigden en de eerste sterrenstelsels zich vormden. Hoewel die oude atomen ongrijpbaar blijven, is een team van onderzoekers in de Australische outback ze misschien dichterbij gekomen dan ooit tevoren.
Volgens de nieuwe studie gepubliceerd in de preprint-database arXiv en binnenkort te verschijnen in de Astrophysical Journal, gebruikten astronomen de Murchison Widefield Array (MWA) radiotelescoop om diep het kosmische verleden in te kijken op zoek naar de kenmerkende golflengte van neutrale waterstof. Ze vonden niet wat ze zochten, maar met behulp van nieuwe instellingen op de recent bijgewerkte array van de telescoop, bepaalde het team de laagste limiet ooit voor de signaalsterkte van neutrale waterstof.
"We kunnen met vertrouwen zeggen dat als het neutrale waterstofsignaal sterker was dan de limiet die we in de krant hadden gesteld, de telescoop het zou hebben gedetecteerd", zegt co-auteur Jonathan Pober, assistent-professor natuurkunde aan de Brown University in Rhode Island. Dat betekent dat de jacht op deze oude moleculen nog steeds aan de gang is, en nu weten onderzoekers dat de voetafdrukken van neutrale waterstof nog zwakker zijn dan verwacht.
De eerste atomen
De energie die door het vroege universum stroomde, was zo sterk dat de elektronen van elk atoom werden afgescheurd, waardoor ze een positieve lading kregen. De eerste van deze atomen was het positief geladen waterstofion. In de loop van honderdduizenden jaren is het universum voldoende afgekoeld en uitgebreid zodat deze waterstofionen hun elektronen kunnen herwinnen en weer neutraal worden. Aangenomen wordt dat deze neutrale waterstofatomen het dominante kenmerk zijn van de kosmische donkere eeuwen. (Uiteindelijk, toen genoeg van hen samenklonterden om de eerste sterren te vormen, werden de atomen opnieuw geïoniseerd door energie die door die sterren werd uitgestraald.)
Wetenschappers weten dat neutrale waterstof straling uitzendt met een golflengte van 21 centimeter - maar aangezien het heelal de afgelopen 12 miljard jaar is uitgebreid, zijn die golflengten ook uitgestrekt. De auteurs van de nieuwe studie schatten dat de golflengte van neutraal waterstof zich tot ongeveer 2 meter heeft uitgerekt - en dat is het signaal dat ze door de lucht zochten om de MWA te gebruiken.
Het probleem is dat er veel bronnen zijn (zowel door de mens gemaakt als hemels) die op dezelfde golflengte uitstralen.
'Al deze andere bronnen zijn vele ordes van grootte sterker dan het signaal dat we proberen te detecteren', zei Pober. 'Zelfs een FM-radiosignaal dat wordt weerkaatst door een vliegtuig dat toevallig boven de telescoop passeert, is voldoende om de gegevens te besmetten.'
Dus schreven Pober en zijn collega's een reeks vergelijkingen om deze verontreinigingen in hun waarnemingen te identificeren en te verwijderen. Na meer dan 1.200 momentopnamen van radiogolven van de lucht te hebben gemaakt, bepaalden de onderzoekers dat elk spoor van emissies van 2 meter dat ze vonden, afkomstig was van ergens anders dan de neutrale waterstof waarnaar ze op zoek waren.
Hoewel het gewaardeerde atoomsignaal onontdekt blijft, slaagt het nieuwe onderzoek erin te beperken hoe toekomstige zoekopdrachten naar neutrale waterstof eruit zouden moeten zien. Deze resultaten maken volgens de onderzoekers een sterk bewijs dat de MWA-experimenten deze jacht op het goede pad leiden. Met verder onderzoek zouden binnenkort de laatste overblijfselen van de kosmische donkere middeleeuwen aan het licht kunnen worden gebracht.
