Sebuah tim ilmuwan yang bekerja dengan teleskop radio Murchison Widefield Array (WMA) berusaha menemukan sinyal dari bintang-bintang pertama Semesta. Bintang-bintang pertama terbentuk setelah Abad Kegelapan Semesta. Untuk menemukan cahaya pertama mereka, para peneliti mencari sinyal dari hidrogen netral, gas yang mendominasi Semesta setelah Abad Kegelapan.
Butuh beberapa saat bagi bintang pertama untuk terbentuk. Setelah Big Bang, alam semesta sangat panas; terlalu panas untuk terbentuk atom. Tanpa atom, tidak mungkin ada bintang. Baru sekitar 377.000 tahun setelah Dentuman Besar, Semesta telah mengembang dan mendinginkan cukup banyak atom untuk membentuk, sebagian besar hidrogen netral dengan sedikit helium. (Dan jejak litium.) Setelah itu, bintang-bintang paling awal mulai terbentuk, selama Zaman Reionisasi.
Untuk menemukan sinyal yang sulit dipahami dari hidrogen netral itu, MWA telah dikonfigurasi ulang. MWA berada di Australia Barat yang terpencil, dan memiliki 2048 antena radio yang disusun menjadi 128 "ubin" ketika mulai beroperasi pada 2013. Untuk memburu sinyal hidrogen netral yang sulit dipahami, jumlah ubin berlipat dua menjadi 256, dan seluruh susunannya adalah diatur ulang. Semua data dari penerima ini dimasukkan ke dalam superkomputer yang disebut Correlator.
Sebuah makalah baru yang akan diterbitkan dalam Astrophysical Journal menyajikan hasil dari analisis data pertama dari array yang baru dikonfigurasi. Makalah ini berjudul "Hasil Spektrum Daya EoR MWA Fase II Musim Pertama di Redshift 7." Peneliti utama adalah Wenyang Li, seorang mahasiswa PhD di Brown University.
Penelitian ini bertujuan untuk memahami kekuatan sinyal dari hidrogen netral. Analisis menetapkan batas terendah untuk sinyal itu, hasil kunci dalam pencarian sinyal lemah itu sendiri.
"Kita dapat mengatakan dengan keyakinan bahwa jika sinyal hidrogen netral lebih kuat daripada batas yang kita tetapkan di kertas, maka teleskop akan mendeteksi itu," kata Jonathan Pober, asisten profesor fisika di Brown University dan penulis yang sesuai pada kertas baru. "Temuan ini dapat membantu kita membatasi waktu ketika zaman kegelapan kosmik berakhir dan bintang-bintang pertama muncul."
Terlepas dari apa yang tampak seperti garis waktu peristiwa yang terperinci di awal Semesta, ada kesenjangan yang signifikan dalam pemahaman kita. Kita tahu bahwa setelah Abad Kegelapan, Zaman Reionisasi dimulai. Saat itulah pembentukan atom menyebabkan munculnya struktur pertama di Semesta, seperti bintang, galaksi kerdil, dan quasar. Ketika benda-benda itu terbentuk, cahayanya menyebar melalui Semesta, mengionisasi kembali hidrogen netral. Setelah itu, hidrogen netral menghilang dari ruang antarbintang.
Para ilmuwan ingin tahu bagaimana hidrogen netral berubah ketika Zaman Kegelapan memberi jalan kepada Zaman Reionisasi, dan Zaman Reionisasi terbuka. Bintang-bintang pertama yang terbentuk di Semesta adalah blok bangunan dari struktur yang kita lihat sekarang, dan untuk memahaminya, para ilmuwan perlu menemukan sinyal dari hidrogen netral awal itu.
Tapi itu tidak mudah. Sinyal lemah, dan dibutuhkan detektor yang sangat sensitif untuk menemukannya. Meskipun hidrogen netral awalnya memancarkan radiasi pada panjang gelombang 21 cm, sinyal telah diregangkan karena ekspansi Semesta. Sekarang sekitar 2 meter. Sinyal 2 meter itu sekarang mudah hilang di antara sejumlah sinyal lain seperti itu, baik yang alami maupun yang disebabkan oleh manusia. Itulah sebabnya MWA berada di Australia terpencil, untuk mengisolasinya dari sebanyak mungkin kebisingan radio.
"Semua sumber lain ini memiliki banyak urutan yang lebih kuat daripada sinyal yang kami coba deteksi," kata Pober. "Bahkan sinyal radio FM yang terpantul dari pesawat terbang yang kebetulan lewat di atas teleskop sudah cukup untuk mencemari data."
Di sinilah kekuatan pemrosesan superkomputer Correlator masuk. Ia memiliki kekuatan untuk membuang sinyal yang terkontaminasi, dan juga memperhitungkan sifat MWA itu sendiri.
"Jika kita melihat frekuensi radio atau panjang gelombang yang berbeda, teleskop berperilaku sedikit berbeda," kata Pober. "Memperbaiki respons teleskop sangat penting untuk kemudian melakukan pemisahan kontaminan astrofisika dan sinyal yang menarik."
Konfigurasi ulang array, teknik analisis data, kekuatan superkomputer, dan kerja keras para peneliti menghasilkan hasil. Makalah ini menyajikan batas atas baru untuk sinyal dari hidrogen netral. Ini adalah kedua kalinya para ilmuwan yang bekerja dengan MWA merilis batas baru yang lebih halus. Dengan kemajuan yang berkelanjutan, para ilmuwan berharap dapat menemukan sinyal yang sulit dipahami itu sendiri.
"Analisis ini menunjukkan bahwa peningkatan fase dua memiliki banyak efek yang diinginkan dan bahwa teknik analisis baru akan meningkatkan analisis di masa depan," kata Pober. "Fakta bahwa MWA sekarang telah menerbitkan dua batas terbaik pada sinyal memberikan momentum pada gagasan bahwa percobaan ini dan pendekatannya memiliki banyak janji."
Lebih:
- Siaran Pers: Ilmuwan inci lebih dekat dari sebelumnya untuk sinyal dari fajar kosmik
- Makalah Penelitian: MWA Tahap II EoR Power Spectrum Hasil Pertama di Redshift 7
- Observatorium Haystack MIT: Zaman Reionisasi
- Space Magazine: Galaksi Awal Era Reionisasi
