Астрономы впервые напрямую зафиксировали сигнал древнего водорода для карты Вселенной

Астрономы впервые напрямую зафиксировали чрезвычайно слабый радиосигнал от водорода, находящегося на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Это открытие демонстрирует новый перспективный метод картирования крупномасштабной структуры Вселенной.

Международная команда исследователей под руководством ученых из Манчестерского университета и Университета Западного Мыса использовала южноафриканский радиотелескоп MeerKAT для измерения излучения нейтрального водорода, относящегося к периоду, когда Вселенная была на несколько миллиардов лет моложе, чем сейчас.

Результаты, опубликованные в журнале The Astrophysical Journal Letters, подчеркивают растущий потенциал метода «интенсивностного картирования водорода», который позволяет исследовать огромные области космоса гораздо эффективнее, чем методы, основанные на идентификации отдельных галактик.

Картирование Вселенной с помощью водорода

Нейтральный водород естественным образом излучает очень слабый радиосигнал, известный как линия 21 сантиметр. Из-за расширения Вселенной этот сигнал растягивается до более длинных волн, путешествуя через космос. Измеряя это смещение, астрономы могут изучать водород из разных эпох космической истории.

Интенсивностное картирование водорода отличается от традиционных обзоров галактик: вместо попыток идентифицировать и измерить каждую галактику по отдельности, астрономы регистрируют суммарное радиоизлучение водорода из огромного количества галактик, которые невозможно разрешить по отдельности.

Такой подход позволяет исследовать огромные объемы пространства и реконструировать трехмерное распределение материи во Вселенной. Ранее надежные измерения водорода на таких расстояниях требовали объединения данных радиотелескопов с данными оптических обзоров галактик. В данном случае исследователям удалось напрямую выделить сигнал интенсивностного картирования, используя только наблюдения MeerKAT.

Сигнал из прошлого на миллиарды лет

Ученые проанализировали около 96 часов наблюдений MeerKAT и обнаружили сигнал из двух разных периодов космической истории. Излучение путешествовало примерно четыре-пять миллиардов лет, прежде чем достигло Земли. Измерения позволили команде проследить распределение водорода на расстояниях в несколько миллионов световых лет, что сопоставимо с расстоянием между Млечным Путем и соседней галактикой Андромеда.

«Это очень захватывающая веха, — сказал доктор Сурабх Пол, ведущий автор исследования. — Интенсивностное картирование водорода давно рассматривалось как перспективный способ эффективного картирования Вселенной, но сигнал чрезвычайно слаб и его трудно отделить от фонового излучения, радиопомех и инструментальных эффектов. Его прямое обнаружение с помощью MeerKAT показывает, что эта техника становится практическим инструментом космологии».

Выделение такого слабого сигнала потребовало от исследователей тщательного учета множества источников помех, которые могли исказить измерения.

«Это был сложный процесс анализа данных, требующий детального понимания многих источников загрязнения, которые могут повлиять на такое слабое измерение, — добавил профессор Марио Сантос. — Особенно примечательно, что данные, использованные в этом исследовании, были получены в 2018 году, когда MeerKAT только начал научную работу. Сейчас существует огромный архив данных MeerKAT, который можно исследовать этим методом».

Новый инструмент для изучения эволюции галактик

По словам исследователей, результаты открывают новые возможности для измерения нейтрального водорода на космологических расстояниях и изучения того, как галактики формировались и менялись на протяжении истории Вселенной.

«Нейтральный водород — один из ключевых компонентов для понимания того, как формируются и эволюционируют галактики, — отметил доктор Чжаотин Чен, соавтор исследования. — С интенсивностным картированием нам не нужно обнаруживать каждую отдельную галактику. Вместо этого мы можем измерить коллективный сигнал от водорода в больших космических объемах, что дает нам новый способ изучать как эволюцию галактик, так и лежащее в основе распределение материи во Вселенной».

Успешное обнаружение может иметь серьезные последствия для будущих космологических обзоров. Ожидается, что интенсивностное картирование водорода станет важным научным направлением для обсерватории Square Kilometre Array (SKAO), для которой MeerKAT служит прототипом.

Подготовка к Square Kilometre Array

«MeerKAT продолжает открывать новые окна для космологии, — добавила профессор Лора Вольц из Манчестерского университета. — Тот факт, что этот сигнал можно извлечь из наблюдений, которые изначально не были предназначены для интенсивностного картирования водорода, очень обнадеживает. Это показывает огромную научную ценность данных MeerKAT и указывает путь к будущим наблюдениям с SKAO».

Будущие исследования, охватывающие большие участки неба в течение более длительных периодов, должны позволить астрономам картировать нейтральный водород с еще большей точностью. Эти наблюдения помогут понять, как развивались галактики, определить влияние темной материи на космическую паутину и реконструировать изменения Вселенной на протяжении миллиардов лет.