Astrofysicus helpt de oorsprong van het universum in kaart te brengen

Niet groter dan een magnetron, een apparaat dat is ontworpen en gebouwd door een astrofysicus van de Universiteit van Miami, helpt een internationaal team van astronomen een kolossale hoeveelheid gegevens te verkrijgen over hoe de zogenaamde donkere middeleeuwen ongeveer 400 miljoen jaar na de Oerknal aan een einde kwamen.

Bij de foto: De volledig geassembleerde cryostaat (voorgrond) van Josh Gundersen koelt de ontvangerreeks van de Leighton-radioschotel, waardoor deze het licht kan opvangen dat miljarden jaren geleden door sterrenstelsels werd uitgezonden. Foto: Josh Gundersen / Universiteit van Miami.

Josh Gundersen's 57 kg zware cryostaat, die hij gedeeltelijk heeft gefabriceerd op de Coral Gables Campus van de universiteit, koelt de ontvangerarray van een hightech radiotelescoop tot 15 graden boven het absolute nulpunt, zodat de schotel het licht kan opvangen dat wordt uitgezonden door sterrenstelsels miljarden jaren geleden.

Gundersen en College of Engineering-student Hugo Medrano hadden een 18 maanden nodig om de cryostaat te ontwerpen. Ingenieurs hadden op hun beurt nog eens zes maanden nodig om het toestel te assembleren, installeren en kalibreren bij het Owens Valley Radio Observatory (OVRO) van het California Institute of Technology (Caltech). Het is een essentieel onderdeel van het nieuwe CO Mapping Array Project, of COMAP. Dit initiatief helpt bij het zoeken naar de oorzaak van de snelle stijging van de productie van sterren in het vroege heelal.

Onder leiding van Caltech onderzoekt COMAP de oorsprong van structuren in het vroege heelal die hebben geleid tot de sterrenstelsels die we vandaag waarnemen, inclusief die welke zwak zijn of verborgen zijn door stof. Met behulp van een Leighton-radioschotel van 10,4 meter lang meet het project de uitstoot van koolmonoxide (CO) op een afstand van ongeveer 11,5 miljard lichtjaar.

"CO is het op één na meest voorkomende molecuul in het universum, de eerste is moleculaire waterstof", zegt Gundersen, een professor in de natuurkunde aan het College of Arts and Sciences, wiens onderzoek varieert van de Melkweg tot de kosmos tot de oerknal. "Maar het blijkt dat moleculaire waterstof vrij moeilijk waar te nemen is," zei hij. “Dus gebruiken we CO-metingen als een proxy voor het meten van grote materiaalophopingen. Het is even gemakkelijk te observeren en het traceert koud, moleculair materiaal dat fungeert als een reservoir voor stervorming in nieuw gevormde sterrenstelsels.

"We gebruiken dus deze waarnemingen," zo vervolgde Gundersen, "om terug te kijken in de tijd naar een tijdperk waarin het universum een ​​stuk eenvoudiger was, toen de eerste generatie sterren begon te schijnen en de eerste sterrenstelsels zich begonnen te vormen."

Het proces, zei Gundersen, is als kijken ’s avonds naar een verlichte kerstboom. De lichten op de boom zijn als het directe en opnieuw verwerkte sterlicht dat de James Webb Space Telescope zo effectief kan zien, terwijl de vage, koele takken van de boom zijn als het moleculaire materiaal dat COMAP is ontworpen om te bestuderen. "Elk is een aanvullende manier om het vroege universum te bestuderen," zei hij.

"De meeste instrumenten kunnen het topje van een ijsberg zien als ze naar sterrenstelsels uit deze periode kijken", zegt Kieran Cleary, hoofdonderzoeker van COMAP en associate director van OVRO. “Maar COMAP zal zien wat eronder ligt, aan het zicht onttrokken.”

Met financiering van het Keck Institute for Space Studies en de National Science Foundation rapporteerde COMAP onlangs zijn eerste jaar van waarnemingen in zeven wetenschappelijke tijdschriften. Hoewel het project nog geen koolmonoxidesignaal heeft gedetecteerd, tonen vroege resultaten aan dat het onderzoek een sterke detectie van CO-emissies zou moeten opleveren tegen de tijd dat het huidige onderzoek in 2024-25 eindigt, waardoor uiteindelijk het meest complete beeld tot nu toe van de geschiedenis van het universum van stervorming ontstaat, volgens Gundersen.

En vanwege de spectroscopische mogelijkheden van het project, zal het dat beeld in driedimensionaal formaat opleveren "net zoals een MRI-machine plakjes van je knie kan nemen", zei Gundersen. "De echte opwinding achter deze benadering van het in kaart brengen van lijnintensiteit is dat het een geheel nieuwe weg opent voor het bestuderen van het vroege universum, en we zijn toevallig op het randje."

Gundersen, die als basisschoolleerling planetariumshows bijwoonde en op de middelbare school de "kosmologiemicrobe" kreeg toen de televisieserie "Cosmos" van de legendarische astronoom Carl Sagan werd uitgebracht en in boekvorm werd omgezet, zal tot het einde bij het COMAP-project blijven en misschien zelfs langer.

"We zijn bezig met het schrijven van voorstellen om onze inspanningen uit te breiden door aanvullende pathfinder-achtige ontvangersystemen te bouwen, evenals andere ontvangersystemen die nog verder terug in het universum kunnen kijken", zei hij. "Specifiek zouden de voorgestelde instrumenten in staat moeten zijn om het zogenaamde tijdperk van re-ionisatie te onderzoeken toen de eerste sterren aangingen en het meestal neutrale materiaal in het universum ioniseerden."

 
Vertaling: Jan Vyvey
Bron: Universiteit van Miami