Новое исследование, опубликованное 30 сентября в журнале The Astrophysical Journal, опровергает модели «холодного старта» ранней Вселенной. Анализ данных показал, что межгалактический газ был уже значительно теплее, чем предполагалось, спустя всего 800 миллионов лет после Большого взрыва. Этот ранний нагрев, вероятнее всего, был вызван рентгеновским излучением первых черных дыр и остаточной энергией массивных звезд-первопроходцев.
Астрономы пытаются заглянуть в одну из наименее изученных эпох в истории космоса — Эпоху реионизации. Этот период начался через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва и завершился примерно через миллиард лет. В это время первые звезды и галактики начали испускать интенсивное ультрафиолетовое излучение, которое постепенно «сжигало» плотный туман из нейтрального водорода, наполнявший Вселенную после «Космических темных веков», и делало ее прозрачной для света.
Ключом к изучению этой эпохи является неуловимый радиосигнал, известный как «водородная линия 21 сантиметра». Этот сигнал возникает, когда протон и электрон в атоме водорода меняют свою взаимную ориентацию спинов, что заставляет атом излучать или поглощать фотон на частоте 1.42 гигагерца. Сила этого сигнала действует как своего рода «космический термометр», позволяя ученым измерять температуру древнего водородного газа.
Обнаружение этого сигнала — чрезвычайно сложная задача. Он погребен под гораздо более мощным радиошумом, исходящим от Млечного Пути, других галактик и даже от земной атмосферы. Чтобы выделить его, команда исследователей под руководством профессора Кэтрин Тротт из Института радиоастрономии Кертина разработала передовую технику статистической фильтрации.
Используя данные, собиравшиеся почти десять лет с помощью радиотелескопа Murchison Widefield Array (MWA), расположенного в пустыне на западе Австралии, ученые применили свой новый метод. Это позволило им создать самую «чистую» на сегодняшний день радиокарту ранней Вселенной и установить наиболее строгие ограничения на силу 21-сантиметрового сигнала.
Несмотря на беспрецедентную точность обработки, прямого доказательства сигнала обнаружить не удалось. Однако именно это отсутствие стало главным результатом исследования. Если бы Вселенная была холодной, как предсказывают некоторые космологические модели, сигнал от водорода был бы достаточно сильным, чтобы телескоп MWA его зафиксировал. Его отсутствие означает, что газ был уже нагрет, что сделало сигнал слишком слабым для нынешних инструментов.
Соавтор исследования, научный сотрудник Международного центра радиоастрономических исследований в Перте Ридхима Нунхоки, подчеркивает, что эти результаты дают первое представление о поведении первых звезд и черных дыр. Данные исключают сценарий, при котором Вселенная оставалась холодной до тех пор, пока ее полностью не осветили первые звезды, и указывают на более ранние и мощные источники энергии.
Эта работа является критически важным подготовительным этапом для телескопа следующего поколения — Square Kilometre Array (SKA), который в настоящее время строится в Австралии и Южной Африке. Ожидается, что чувствительность SKA позволит напрямую обнаружить 21-сантиметровый сигнал. Текущее исследование не только сужает круг поисков, но и предоставляет ученым проверенную методику обработки данных, которая станет основой для будущих открытий.
Изображение носит иллюстративный характер
Астрономы пытаются заглянуть в одну из наименее изученных эпох в истории космоса — Эпоху реионизации. Этот период начался через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва и завершился примерно через миллиард лет. В это время первые звезды и галактики начали испускать интенсивное ультрафиолетовое излучение, которое постепенно «сжигало» плотный туман из нейтрального водорода, наполнявший Вселенную после «Космических темных веков», и делало ее прозрачной для света.
Ключом к изучению этой эпохи является неуловимый радиосигнал, известный как «водородная линия 21 сантиметра». Этот сигнал возникает, когда протон и электрон в атоме водорода меняют свою взаимную ориентацию спинов, что заставляет атом излучать или поглощать фотон на частоте 1.42 гигагерца. Сила этого сигнала действует как своего рода «космический термометр», позволяя ученым измерять температуру древнего водородного газа.
Обнаружение этого сигнала — чрезвычайно сложная задача. Он погребен под гораздо более мощным радиошумом, исходящим от Млечного Пути, других галактик и даже от земной атмосферы. Чтобы выделить его, команда исследователей под руководством профессора Кэтрин Тротт из Института радиоастрономии Кертина разработала передовую технику статистической фильтрации.
Используя данные, собиравшиеся почти десять лет с помощью радиотелескопа Murchison Widefield Array (MWA), расположенного в пустыне на западе Австралии, ученые применили свой новый метод. Это позволило им создать самую «чистую» на сегодняшний день радиокарту ранней Вселенной и установить наиболее строгие ограничения на силу 21-сантиметрового сигнала.
Несмотря на беспрецедентную точность обработки, прямого доказательства сигнала обнаружить не удалось. Однако именно это отсутствие стало главным результатом исследования. Если бы Вселенная была холодной, как предсказывают некоторые космологические модели, сигнал от водорода был бы достаточно сильным, чтобы телескоп MWA его зафиксировал. Его отсутствие означает, что газ был уже нагрет, что сделало сигнал слишком слабым для нынешних инструментов.
Соавтор исследования, научный сотрудник Международного центра радиоастрономических исследований в Перте Ридхима Нунхоки, подчеркивает, что эти результаты дают первое представление о поведении первых звезд и черных дыр. Данные исключают сценарий, при котором Вселенная оставалась холодной до тех пор, пока ее полностью не осветили первые звезды, и указывают на более ранние и мощные источники энергии.
Эта работа является критически важным подготовительным этапом для телескопа следующего поколения — Square Kilometre Array (SKA), который в настоящее время строится в Австралии и Южной Африке. Ожидается, что чувствительность SKA позволит напрямую обнаружить 21-сантиметровый сигнал. Текущее исследование не только сужает круг поисков, но и предоставляет ученым проверенную методику обработки данных, которая станет основой для будущих открытий.
