Слабый радиосигнал, идущий из далекого прошлого Вселенной, может содержать ключ к пониманию природы первых звезд, осветивших космос после Большого взрыва. Астрономы предполагают, что нейтральный водород, заполнявший пространство в первые 100 миллионов лет существования Вселенной, мог сохранить следы влияния этих звезд в своем излучении.
Хотя прямых доказательств пока нет, новые поколения радиотелескопов, такие как строящаяся обсерватория Square Kilometer Array (SKA) в Австралии и Южной Африке, а также проект REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), могут помочь ученым зафиксировать этот сигнал и определить массу первых звезд. Это позволит лучше понять ранние этапы эволюции Вселенной.
«Это уникальная возможность узнать, как во Вселенной появился первый свет«, — говорит астроном Анастасия Фиалков из Кембриджского университета и Института космологии Кавли. «Переход от холодной и темной Вселенной к миру, наполненному звездами, — это история, которую мы только начинаем понимать«.
После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую плотную плазму, состоящую из ядер атомов и свободных электронов. По мере остывания частицы объединялись, образуя нейтральный водород и небольшое количество гелия. Однако первые звезды появились не сразу, и Вселенная оставалась темной в течение долгого времени.
Считается, что именно из этого нейтрального газа сформировались первые звезды, но до сих пор астрономам не удалось их обнаружить. Некоторые ученые предполагают, что эти звезды были невероятно массивными — в тысячи раз тяжелее Солнца — и существовали очень недолго, что делает их поиски крайне сложными.
Однако их влияние могло сохраниться в космическом радиосигнале длиной 21 сантиметр, который испускал нейтральный водород в ранней Вселенной. Новое исследование, проведенное под руководством астрофизика Томаса Гесси-Джонса из Кембриджа, показало, что первые звезды оставили характерный след в этом сигнале.
«Мы впервые смоделировали зависимость 21-сантиметрового сигнала от массы первых звезд, учитывая влияние их ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей, возникающих после их гибели«, — объясняет Фиалков. Эти данные были получены с помощью симуляций, учитывающих условия ранней Вселенной, включая состав водорода и гелия, образовавшихся после Большого взрыва.
Когда массивные звезды умирают, их ядра коллапсируют, превращаясь в нейтронные звезды или черные дыры, которые испускают мощное рентгеновское излучение. Предыдущие модели не учитывали этот фактор, но новое исследование показывает, что он играет важную роль.
«Наши расчеты имеют огромное значение для понимания природы первых звезд«, — говорит астроном Элой де Лера Аседо из Кембриджского университета. «Мы доказали, что радиотелескопы могут помочь определить их массу и показать, чем эти звезды отличались от современных«.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.