Згідно з найбільш поширеними космологічними теоріями, перші зірки у Всесвіті утворилися через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. На жаль, астрономи не змогли їх «побачити» з тих пір, як їхня поява збіглася з космологічним періодом, відомим як «темні віки». Протягом цього періоду, який закінчився близько 13 мільярдів років тому, хмари газу наповнювали Всесвіт, що закривало видиме та інфрачервоне світло.
Однак астрономи дізналися, що світло цієї епохи можна виявити як слабкі радіосигнали. Саме з цієї причини радіотелескопи люблять Широкопольний масив Мерчісона (MWA). Використання даних, отриманих цим масивом торік Міжнародна група дослідників вивчає найточніші на сьогоднішній день радіодані раннього Всесвіту, намагаючись точно побачити, коли закінчилися космічні «темні століття».
Як вони вказали у своєму дослідженні, яке з’явилося в Астрофізичний журнал минулого року команді вдалося відфільтрувати в десять разів більше електромагнітних перешкод (порівняно з нормою) із даних, зібраних MWA за понад 21 годину. Оснащена цими значно покращеними даними, команда зараз шукає в них індикатори радіосигналу, що походить із «темних віків».
Хронологія Великого вибуху Всесвіту, яка показує, коли і на яких довжинах хвилі речі стали видимими. Авторство і права: NASA / JPL-Caltech / А. Кашлінський (GSFC).
Сучасні моделі космології говорять нам, що незабаром після Великого вибуху Всесвіт був заповнений гарячою щільною плазмою. У цей період електрони і фотони регулярно захоплювали один одного, що робило Всесвіт непрозорим. Менш ніж через мільйон років електронно-фотонні взаємодії стали рідкісними, а Всесвіт, що розширювався, ставав дедалі прозорішим. Проте в цей час ще не було ні зірок, ні галактик, які залишили Всесвіт темним.
Такими все залишиться протягом наступних кількох сотень мільйонів років, коли космос був заповнений нейтральним воднем (атоми водню з одним протоном і одним електроном, які не мають загального заряду). Приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху нейтральні атоми водню почали об’єднуватися, щоб утворити перші зірки, таким чином почавши епоху реіонізації та завершивши «темні віки».
Коли утворилися перші зірки, світло й випромінювання, які вони випромінювали, перетворили більшу частину нейтрального водню у Всесвіті в іонізовану плазму, яка досі домінує в міжзоряному просторі. На жаль, визначити, коли відбувся цей перехід, важко, оскільки електромагнітне випромінювання у видимій та інфрачервоній (тепловій) довжинах хвиль просто не видно, коли йдеться про існуючі інструменти.
Студенти та дослідники з Університету Брауна, Університету Кертіна та UW будують нові антени для широкого поля Мерчісона. Авторство: MWA Collaboration/Університет Кертіна
Як Зображення заповнювача Мігеля Моралеса , професор фізики UW і провідний автор статті, пояснив в a ВАШ випуск новин :
«Для цього темного віку, звісно, немає світлового сигналу, який ми можемо вивчити, щоб дізнатися про нього – не було видимого світла! Але є певний сигнал, який ми можемо шукати. Він походить з усього нейтрального водню. Ми ніколи не вимірювали цей сигнал, але ми знаємо, що він є. І це важко виявити, тому що за 13 мільярдів років з моменту випромінювання цього сигналу наш Всесвіт став дуже напруженим місцем, наповненим іншою активністю зірок, галактик і навіть наших технологій, які заглушають сигнал від нейтрального водню».
Цей сигнал відповідає частоті та довжині хвилі, на якій водень перетворюється з нейтрального на заряд. Також відома як «лінія водню», ця межа знаходиться на 21 см (1420,4 МГц) в радіоспектрі. Знаходження цих сигналів у космосі є ключем до визначення, коли утворилися перші зірки та коли закінчилися Темні віки, таким чином надаючи астрономам життєво важливі підказки про космічну еволюцію.
«Епоха реіонізації та темний вік, що передує їй, є критичними періодами для розуміння особливостей нашого Всесвіту, наприклад, чому ми маємо деякі регіони, заповнені галактиками, а інші відносно порожні, розподіл матерії і, можливо, навіть темну матерію та темну енергію», – додав Моралес.
Кенгуру в масиві Мерчісон Уайдфілд. Авторство: MWA Collaboration/Університет Кертіна
Радіотелескоп Murchison Widefield Array, розташований у Західній Австралії, також є основним у пошуку цих сигналів. Ця решітка складається з 4096 дипольних антен, які вловлюють низькочастотні сигнали, такі як електромагнітна сигнатура нейтрального водню. Ці сигнали дуже важко розрізнити через електромагнітні перешкоди від інших космічних (або земних) джерел.
Щоб усунути цей фоновий шум і підвищити шанси виявлення, Моралес та його колеги розробили все більш складні методи. Це включає впровадження надлишкового підмасиву гексагональних ядер і псевдовипадкових базових ліній, а також вдосконалені методи аналізу, методи контролю якості даних та підходи до інтерферометричного калібрування.
Вся ця інформація була присутня в дослідженні команди 2019 року, яке базувалося на докторській дисертації члена команди та співавтора Ніколь Баррі – зараз докторант Мельбурнського університету. Забігаючи наперед, команда планує відсортувати близько 3000 годин додаткових даних про викиди, зібрані MWA, і сподівається відфільтрувати ще більше шуму, щоб вони могли помітити цей невловимий сигнал.
Частина широкого поля Мерчісона вночі. Авторство: Джон Голдфілд/Celestial Visions
Якщо їм це вдасться, у астрономів нарешті з’явиться вікно в найранішу епоху Всесвіту. Поряд із решітками радіотелескопів по всьому світу, які стають все більш досконалими, це дозволить астрономам і космологам перевірити свої теорії про те, як і коли відбулися основні події в еволюції нашого Всесвіту. Сказав Моралес:
«Ми вважаємо, що властивості Всесвіту в цю епоху мали великий вплив на формування перших зірок і привели в рух структурні особливості Всесвіту сьогодні. Спосіб розподілу матерії у Всесвіті в ту епоху, ймовірно, сформував те, як галактики та скупчення галактик розподіляються сьогодні».
До команди увійшли дослідники з ASTRO 3D співпраця, Міжнародний центр радіоастрономічних досліджень (ICRAR), Нідерландський інститут радіоастрономії (ASTRON), CSIRO Астрономія та космічна наука (CASS), MIT, the Шанхайська астрономічна обсерваторія , Школа дослідження Землі та космосу , Університет штату Арізона, Університет Кумамото в Японії та Університет Рамана в Індії.
Подальше читання: ВАШІ НОВИНИ , Астрофізичний журнал
