Stillir við­tækið á alheimsdögunina

Fyrstu stjörnurnar í alheiminum eru svo gamlar og fjarlægar, meira en þrettán milljarða ára gamlar, að engin leið er að greina þær beint með sjónaukum sem eru næmir fyrir sýnilegu ljósi. Mögulegt er þó að greina áhrif þeirra á vetnisský sem umlukti þær í árdaga alheimsins í gegnum útvarpsbylgjur.

Flestum er tamt að tengja útvarpsbylgjur við hljóð enda hafa þær verið notaðar til þess að bera út gjamm misviturra útvarpsmanna og dillandi danstónlist í þar til gerð viðtæki í meira en öld. Útvarpsbylgjur eru þó í raun tegund af ljósi.

Til þess að greina dauf útvarpsmerki fyrstu stjarnanna frá stanslausum klið útvarps-, sjónvarps- og fjarskiptasendinga mannkynsins hefur rannsóknarhópur Cynthiu Chiang, dósents í eðlisfræði við McGill-háskóla í Montreal í Kanada, komið upp útvarpsloftnetum á sumum afskekktustu stöðum jarðar.

„Vandinn við að gera athuganir af þessu tagi á þéttbýlisstöðum og stöðvum sem auðvelt að komast til er að það er mikil truflun af völdum manna: hefðbundnum útvarpssendum, sjónvarpssendum, farsímasendum. Allt þetta er truflun fyrir okkur og blindandi bjart. Ef við erum einhvers staðar nálægt þessum sendum sjáum við ekkert frá himninum eða alheiminum, bara útvarpsstöðvar sem eru yfirþyrmandi bjartar fyrir okkur,“ segir Chiang í samtali við Vísi.

Vita á hvaða bylgjulengd á að stilla

Hópurinn setti fyrstu loftnetin upp á eyjunni Marion í Suður-Indlandshafi á milli Suður-Afríku og Suðurskautslandsins, um tvö þúsund kílómetrum frá næsta meginlandi. Nú fara rannsóknirnar fram á Axel Heiberg-eyju á norðurskautssvæði Kanada á 79. breiddargráðu norður.

„Helsta truflunin er á mjög lágri tíðni langbylgju- og stuttbylgjusendinga sem endurvarpast af efri lögum lofthjúpsins. Það er í raun enginn staður á jörðinni sem er hægt að komast undan þeim en það er allt í lagi vegna þess að við höfum nógu stóran glugga til að sjá himininn án truflunar frá þessum uppsprettum,“ segir Chiang sem heldur opinn fyrirlestur um fyrstu stjörnur alheimsins og rannsóknir sínar í Háskóla Íslands í kvöld.

Útvarpsmerkið sem Chiang og félagar eru á höttunum eftir stafar ekki beint af fyrstu stjörnunum heldur vetnisskýjunum sem umluktu þær. Þau mæla í raun áhrif ljóss frá fyrstu stjörnunum á vetnisfrumeindirnar í alheiminum.

„Þetta eru útvarpsbylgjur sem vetnisfrumeindir gefa náttúrulega frá sér. Vetni er algengasta frumefnið í alheiminum, það er alls staðar í geimnum og maður getur hugsað sér að það glói stanslaust þessari útvarpsgeislun,“ segir Chiang.

Vegna þess að alheimurinn er sífellt að þenjast út teygist á útvarpsbylgjunum á leið þeirra til jarðar. Þetta svokallaða rauðvik ljóssins felur þannig í sér upplýsingar um hversu langt er síðan það lagði af stað. Þannig er hægt að stilla mælitæki á jörðinni á ákveðið tímabil í sögu alheimsins, nánast eins og að stilla á ákveðna útvarpsstöð.

„Í tilfelli fyrstu stjarnanna vitum við á hvaða bylgjulengd á að stilla og setjum sjónaukann upp þannig. Þetta er eins og að smíða fínt bílaútvarp og hlusta á allar stöðvar í einu. Við erum að reyna að hlusta eftir truflun frá öllum stöðvum og greina nokkrar stöðvar þar sem truflarnirnar eru minni. Það er merki sem ætti að vera frá því að fyrstu stjörnurnar kviknuðu í alheiminum,“ segir hún.

Dimmur og leiðinlegur alheimur fyrir tíma stjarnanna

Alheimurinn fyrir tíma fyrstu stjarnanna var gerólíkur þeim sem við þekkjum. 

„Fyrir fyrstu stjörnurnar var alheimurinn mjög dimmur og leiðinlegur,“ segir Chiang og hlær.

Fyrstu fjögur hundruð þúsund árin eftir Miklahvell var alheimurinn aðallega heitt og þétt rafgas sem Chiang líkir við kertaloga: bjartan og glóandi en ógegnsæjan.

Eftir því sem alheimurinn kólnaði gátu róteindir og rafeindir runnið saman og myndað fyrstu vetnisfrumeindirnar.

„Á því stigi varð alheimurinn gegnsær,“ segir Chiang.

Ekki var þó margt að sjá í þessum frumalheimi lengi framan af. Engar vetrarbrautir, stjörnur, né reikistjörnur, aðeins vetni og örlítið af helíni. Þetta tímabil í sögu alheimsins er kallað myrköld.

Vetninu var ekki dreift jafnt um alheiminn og með tíð og tíma byrjaði þyngdarkrafturinn að þjappa vetnisfrumeindunum saman. Eftir um hundrað milljón ár varð þetta þyngdarhrun kveikjan að fyrstu stjörnunum.

„Þetta var fæðing fyrstu stjarnanna sem við köllum alheimsdögunina,“ segir Chiang.

Myndbandið í spilaranum hér fyrir neðan sýnir McGill-norðurskautsrannsóknastöðina á Axel Heiberg-eyju úr lofti.

Skærir en skammlífir risar

Fyrstu stjörnurnar voru mjög frábrugðnar þeim sem við sjáum í alheiminum á okkar tíma. Þær voru þannig eingöngu úr vetni þar sem þyngri frumefni voru ekki orðin til ennþá.

„Við teljum að fyrstu stjörnurnar hafi verið mjög stórar og þrútnar og að þær hafi brunnið mjög heitt og bjart í mjög skamman tíma en það er um það bil það sem við vitum. Við vitum alls ekki mikið um þessar fyrstu stjörnur, bara að þær voru mjög ólíkar nokkru sem við sjáum núna,“ segir Chiang.

Þjappi maður aldri alheimsins niður í mannsaldur urðu fyrstu stjörnurnar til þegar alheimurinn var smábarn.

„Það sem við erum að gera með rannsóknum okkar er að skoða bernsku alheimsins þar sem það eru einhver líkindi við samtímaútgáfuna, fullorðnu útgáfuna, en hún er ekki eins. Við viljum átta okkur á umhverfinu sem mótaði vöxt og þróun alheimsins á þessum tíma.“

Lítið er þannig vitað um hvernig stjörnumyndun í alheiminum þróaðist eftir þessa fyrstu kynslóð stjarna. Stjörnur sem fylgdu í kjölfarið mynduðu síðan flest öll frumefnin þyngri en vetni og helín.

„Hluti af rannsóknum okkar er að reyna skilja það betur og mæla í fyrsta skipti,“ segir Chiang.

Fyrirlestur Cynthiu Chiang „Fyrstu stjörnurnar og rannsóknir á hjara veraldar“ verður haldinn í  stofu 023 í Veröld, húsi Vigdísar Finnbogadóttur, klukkan 20:00 í kvöld. Hann er opinn almenningi og aðgangur er ókeypis. Háskóli Íslands skipuleggur fyrirlesturinn í samstarfi við Stjörnuskoðunarfélag Seltjarnarness og Stjarnvísindafélag Íslands.