Радиосигнал из ранней Вселенной раскрывает тайны первых звёзд

Автор: CC0 Public Domain

Понимание того, как Вселенная перешла от тьмы к свету с образованием первых звёзд и галактик, является ключевым моментом в её развитии, известным как «Космический рассвет». Однако даже с помощью самых мощных телескопов мы не можем напрямую наблюдать эти ранние звёзды, поэтому определение их свойств остаётся одной из главных задач астрономии.

Международная группа астрономов под руководством Кембриджского университета продемонстрировала, что мы сможем узнать о массе первых звёзд, изучая специфический радиосигнал, созданный атомами водорода, заполняющими пространство между областями звездообразования. Этот сигнал возник всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва.

Исследуя, как первые звёзды и их остатки повлияли на этот сигнал (известный как 21-сантиметровый), учёные показали, что будущие радиотелескопы помогут понять раннюю Вселенную и её трансформацию из почти однородной массы водорода в ту сложную структуру, которую мы видим сегодня. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

«Это уникальная возможность узнать, как первый свет Вселенной вышел из тьмы», — говорит соавтор исследования профессор Анастасия Фиалков из Института астрономии Кембриджа. «Переход от холодной, тёмной Вселенной к наполненной звёздами — это история, которую мы только начинаем понимать».

Изучение древнейших звёзд Вселенной основано на слабом свечении 21-сантиметрового сигнала — едва уловимом энергетическом сигнале, пришедшем из эпохи более 13 миллиардов лет назад. Этот сигнал, на который повлияло излучение первых звёзд и чёрных дыр, даёт редкое окно в младенчество Вселенной.

Фиалков возглавляет теоретическую группу проекта REACH (Радиоэксперимент по анализу космического водорода). REACH — это радиотелескоп, один из двух ключевых проектов, которые могут помочь в изучении Космического рассвета и Эпохи реионизации, когда первые звёзды ионизировали нейтральные атомы водорода.

Хотя REACH, регистрирующий радиосигналы, пока находится на этапе калибровки, он обещает раскрыть данные о ранней Вселенной. В то же время строящийся массив антенн Square Kilometer Array (SKA) будет фиксировать колебания космических сигналов на огромных участках неба.

Оба проекта важны для изучения массы, светимости и распределения первых звёзд. В текущем исследовании Фиалков (также участница проекта SKA) и её коллеги разработали модель, предсказывающую характеристики 21-сантиметрового сигнала для REACH и SKA, и обнаружили, что сигнал чувствителен к массе первых звёзд.

«Мы первая группа, которая последовательно смоделировала зависимость 21-сантиметрового сигнала от массы первых звёзд, включая влияние ультрафиолетового света и рентгеновского излучения от двойных систем, образовавшихся после их гибели», — пояснила Фиалков, сотрудник Кавли-института космологии Кембриджа. «Эти выводы основаны на симуляциях, учитывающих первичные условия Вселенной, такие как состав водорода и гелия после Большого взрыва».

Разрабатывая модель, учёные изучили, как 21-сантиметровый сигнал реагирует на распределение массы звёзд Поколения III. Они обнаружили, что предыдущие исследования недооценивали эту связь, так как не учитывали количество и яркость рентгеновских двойных систем среди этих звёзд и их влияние на сигнал.

В отличие от оптических телескопов, таких как James Webb, которые делают яркие снимки, радиоастрономия полагается на статистический анализ слабых сигналов. REACH и SKA не смогут запечатлеть отдельные звёзды, но предоставят данные о целых популяциях звёзд, двойных системах и галактиках.

«Нужно немного воображения, чтобы связать радиоданные с историей первых звёзд, но последствия этого фундаментальны», — отметила Фиалков.

«Наши предсказания имеют огромное значение для понимания природы самых первых звёзд», — добавил соавтор доктор Элой де Лера Аседо, руководитель проекта REACH. «Мы показываем, что радиотелескопы могут рассказать нам о массе этих звёзд и о том, чем они отличались от современных».

Анастасия Фиалков — сотрудник Колледжа Магдалины в Кембридже, а Элой де Лера Аседо — стипендиат STFC Эрнеста Резерфорда и член Колледжа Селвин.

Дополнительная информация: Determination of the mass distribution of the first stars from the 21-cm signal, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02575-x

Источник: University of Cambridge