Древний радиосигнал, возникший всего через 100 миллионов лет после Большого Взрыва, может стать ключом к пониманию Космического Рассвета — периода, когда сформировались первые звёзды, чёрные дыры и галактики, — а также Эпохи Реионизации, когда ранние звёзды ионизировали нейтральный водород. Новое международное исследование под руководством Кембриджского университета показывает, как самые первые звёзды повлияли на этот неуловимый сигнал.
Хотя конечная скорость света и огромные космические расстояния позволяют астрономам заглянуть в прошлое, ни один телескоп не может напрямую наблюдать Космический Рассвет. В ту раннюю эпоху сигнал сформировался, когда атомы водорода проникали в пустоты между областями звездообразования. Сегодня этот сигнал может пролить свет на массы первых звёзд во Вселенной.
21-сантиметровый сигнал
Сигнал, лежащий в центре исследования, известен как «21-сантиметровый сигнал» — он назван так из-за длины волны фотонных излучений, возникающих при спин-флип-переходе нейтральных атомов водорода (когда спин электрона меняет ориентацию относительно протона). Новое исследование подчёркивает, как будущие достижения в радиоастрономии помогут учёным использовать этот сигнал для понимания того, как современная Вселенная возникла из ранней космической среды, где доминировал водород.
«Это уникальная возможность узнать, как первый свет Вселенной пробился сквозь тьму», — говорит соавтор исследования профессор Анастасия Фиальков из Института астрономии Кембриджа, возглавляющая теоретическую группу проекта REACH. «Переход от холодной, тёмной Вселенной к миру, наполненному звёздами, — это история, которую мы только начинаем понимать».
Прогресс в поиске радиосигнала
Сигнал крайне слабый и тонкий, отражая более 13 миллиардов лет влияния звёзд и чёрных дыр. Два крупных предстоящих проекта предоставят астрономам инструменты, необходимые для обнаружения и анализа этих сигналов с беспрецедентной точностью.
Радиоэксперимент по анализу космического водорода (REACH) — это радиоантенная решётка, находящаяся в фазе калибровки. Совместный проект Кембриджского университета и Университета Стелленбош в Южной Африке может сыграть ключевую роль в раскрытии потенциала 21-сантиметрового сигнала.
Другой крупный проект — Square Kilometre Array (SKA) — это масштабный международный радиотелескоп, который сейчас строится. Совместная инициатива правительств Австралии и Южной Африки, SKA будет включать обширную сеть антенн, предназначенных для картирования колебаний радиосигналов на огромных участках неба. Ожидается, что проект заработает в 2027 году.
Осознание нового источника данных
«Мы — первая группа, которая последовательно смоделировала зависимость 21-сантиметрового сигнала от массы первых звёзд, включая влияние ультрафиолетового света и рентгеновского излучения от рентгеновских двойных систем, возникающих после гибели первых звёзд», — пояснила Фиальков. «Эти выводы основаны на симуляциях, которые учитывают изначальные условия Вселенной, такие как водородно-гелиевый состав, образовавшийся после Большого Взрыва».
Исследование изучило, как распределение массы первых звёзд повлияло на сигнал, и выяснило, что предыдущие модели недооценивали эту корреляцию. Разница заключается в том, что новое исследование учитывает количество и яркость двойных систем, состоящих из живой звезды и коллапсировавшего компаньона — так называемых рентгеновских двойных. Результаты команды показывают, что вместо того, чтобы полагаться только на данные визуализации с таких обсерваторий, как телескоп Джеймс Уэбб, учёные могут использовать статистический анализ данных REACH и SKA, чтобы лучше понять целые популяции ранних звёзд.
«Нужно немного воображения, чтобы связать радиоданные с историей первых звёзд, но последствия этого — огромны», — заключила Фиальков.
«Предсказания, о которых мы сообщаем, имеют огромное значение для нашего понимания природы самых первых звёзд во Вселенной», — сказал соавтор исследования доктор Элой де Лера Аседо, руководитель проекта REACH и ведущий специалист Кембриджского университета в проекте SKA. «Мы демонстрируем доказательства того, что радиотелескопы могут предоставить нам данные о массе этих первых звёзд и о том, насколько эти ранние светила могли отличаться от современных звёзд».
«Радиотелескопы, такие как REACH, обещают раскрыть тайны юной Вселенной, и эти предсказания крайне важны для направления радиоастрономических наблюдений, которые мы проводим в Кару (Южная Африка)».