Астрономы напрямую измерили чрезвычайно слабый радиосигнал от нейтрального водорода, находящегося в миллиардах световых лет от Земли. Обнаружение, сделанное с помощью южноафриканской антенной решетки MeerKAT, дает исследователям новый способ прослеживать, как была распределена материя, когда Вселенная была моложе.
Водород — самый распространенный элемент в космосе, но его радиосигнал трудно увидеть. Нейтральный водород излучает на длине волны 21 сантиметр. По мере расширения Вселенной этот сигнал растягивается, и его длина волны говорит астрономам, когда свет начал свое путешествие.
Чтение водородного свечения
Вместо того чтобы идентифицировать каждую галактику по отдельности, команда использовала технику, называемую картированием интенсивности водорода. Она измеряет совокупное 21-сантиметровое свечение множества неразрешенных галактик одновременно. Это позволяет исследовать огромные объемы пространства при условии, что слабый водородный сигнал можно отделить от гораздо более ярких радиоисточников, земных помех и особенностей самого телескопа.
Исследователи проанализировали около 96 часов наблюдений MeerKAT и обнаружили водород из двух периодов космической истории. Свет летел до Земли примерно четыре-пять миллиардов лет. Измерения прослеживают структуры на масштабах в несколько миллионов световых лет, сравнимых с расстоянием между Млечным Путем и Андромедой.
Более ранние обнаружения на таких расстояниях обычно требовали объединения радиоданных с оптическими каталогами галактик. Этот результат получен из самих радионаблюдений MeerKAT. Прямое измерение можно повторять на более широких участках неба, не находя сначала каждую отдельную галактику в том же участке.
Отделяя сигнал от шума
Сигнал по-прежнему трудно извлечь. Яркие радиогалактики доминируют в сырых изображениях, а созданные человеком передачи и инструментальные эффекты могут имитировать водородную линию. Команде пришлось смоделировать и удалить эти помехи, прежде чем проверять, соответствует ли оставшийся узор ожидаемому 21-сантиметровому излучению.
Будущие обзоры должны охватывать большие участки неба и вести наблюдения дольше. Астрономы надеются, что метод поможет картировать космическую паутину, проследить рост галактик и измерить, как темная материя формировала структуру на протяжении миллиардов лет. Обнаружение MeerKAT — ранняя демонстрация того, что техника работает с реальными данными телескопа, а не только с комбинированными обзорами.
Карта невидимого: зачем астрономам свет, который нельзя увидеть глазами
Нейтральный водород — скромный, но вездесущий элемент космоса. Он не образует ярких звезд и не привлекает внимания, но именно он заполняет гигантские пространства между галактиками и хранит память о том, как распределялась материя в ранней Вселенной.
Традиционная астрономия работает с галактиками — яркими маяками, которые можно разглядеть по отдельности. Но галактики составляют лишь малую часть космической материи. Водородное картирование интенсивности предлагает другой подход: вместо того чтобы считать отдельные объекты, оно измеряет суммарное свечение огромных объемов пространства.
Это как оценивать плотность леса не по отдельным деревьям, а по общему гулу листвы. Такой метод менее детален, но зато способен охватить колоссальные масштабы — от миллионов до миллиардов световых лет.
Главная техническая трудность — отделить слабый космический сигнал от земного шума. Радиотелескопы, как чувствительные микрофоны, улавливают и сигналы далеких галактик, и помехи от мобильной связи, спутников и собственной электроники. Очистка данных — это тонкая работа, требующая точных моделей всех источников шума.
Если метод будет масштабирован, он сможет ответить на фундаментальные вопросы: как темная материя собирала вещество в космическую паутину? Когда начали формироваться первые крупные структуры? Как эволюционировала Вселенная на протяжении миллиардов лет?
MeerKAT — лишь первый шаг. Следующее поколение радиотелескопов, включая Square Kilometre Array, будет обладать еще большей чувствительностью. И тогда слабый шепот древнего водорода может рассказать историю космоса так, как ее еще никто не слышал.
Источники: Phys.org; Sourabh Paul et al., The Astrophysical Journal Letters, DOI 10.3847/2041-8213/ae808f.
Ваш комментарий