Астрономы поймали слабый радиосигнал от древнего водорода: о чем он рассказал

Молодая Вселенная была теплее, чем считалось ранее. Примерно через восемьсот миллионов лет после Большого взрыва огромные облака межгалактического водорода уже нагревались энергией от новорожденных черных дыр и угасающих первых звезд.

После Большого взрыва, который произошел около тринадцати с половиной миллиардов лет назад, Вселенная стремительно расширялась и остывала. Примерно через четыреста тысяч лет температура упала настолько, что протоны и электроны смогли объединиться в нейтральные атомы водорода. И космос погрузился в «темные века» — длительный период, когда пространство было заполнено плотным туманом из водородного газа, не пропускавшим свет.

Сотни миллионов лет спустя зажглись первые массивные звезды и молодые галактики. Их интенсивное ультрафиолетовое излучение постепенно рассеивало этот туман в процессе, который получил теперь название «эпоха реионизации». Именно тогда Вселенная стала прозрачной, и свет звезд впервые смог свободно пронизывать космос.

Команда ученых проанализировала почти десять лет наблюдений, сделанных при помощи радиотелескопа Murchison Widefield Array, расположенного в австралийской пустыне. Они искали слабый радиосигнал от древнего водорода — так называемую двадцатиоднасантиметровую линию. Этот сигнал возникает, когда единственные протон и электрон в атоме водорода меняют направление своих спинов, что приводит к излучению или поглощению фотона на определенной длине волны.

Одна из частей радиотелескопа Murchison Widefield ArrayИсточник: Natasha Hurley-Walker, CC BY-SA 3.0>, via Wikimedia Commons

Обнаружить этот древний сигнал чрезвычайно сложно — он погребен под слоями гораздо более сильного радиошума от Млечного Пути, других галактик и земной атмосферы. Однако астрономы придумали как избавиться от шумов: с этой целью они разработали новую статистическую методику фильтрации, чтобы выделить наиболее вероятное излучение от водорода той далекой эпохи.

«По мере эволюции Вселенной газ между галактиками расширялся и охлаждался, поэтому мы ожидали, что он будет очень холодным», — объяснила руководитель исследования, профессор Кэтрин Тротт. «Однако наши измерения показали, что он был нагрет хотя бы до определенной степени. Не слишком сильно, но результаты говорят нам, что очень холодная реионизация исключена — и это действительно интересно».

Полученные результаты приближают ученых к обнаружению неуловимого радиосигнала, который может раскрыть свойства первых звезд и черных дыр. Новая методика также может стать основой для будущих наблюдений на строящемся телескопе Square Kilometre Array, который обладает достаточной чувствительностью для прямого обнаружения двадцатиоднасантиметрового сигнала.