Астрономи, які працюють з радіотелескопом у напівпустелі Кару в Південній Африці, «на порозі» виявлення «космічного світанку» — епохи після Великого Вибуху, коли спалахнули перші зорі та почали «квітнути» галактики.
У статті, яку взяв для публікації The Astrophysical Journal, наукова група Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) повідомляє, що вона подвоїла чутливість цього масиву радіоантен. Він і так був найчутливішим радіотелескопом у світі, призначеним для дослідження цього унікального періоду в історія Всесвіту.
Хоча науковці ще не зафіксували радіовипромінювання, що виникло наприкінці космічних темних віків, їхні результати дають підказки щодо складу зір і галактик у ранньому Всесвіті. Дані, зокрема, свідчать про те, що ранні галактики містили дуже мало елементів, крім водню та гелію, на відміну від нинішніх галактик.
Коли радіоантени будуть повністю з’єднані й відкалібровані (в ідеалі це має статися цієї осені), наукова група сподівається побудувати 3D-карту бульбашок іонізованого та нейтрального водню, як вони еволюціонували приблизно від 200 мільйонів років до приблизно 1 мільярда років після Великого Вибуху. Мапа може розповісти астрономам, чим ранні зорі та галактики відрізнялися від тих, які ми бачимо навколо нас тепер, і який вигляд мав Всесвіт у юності.
«Це шлях до потенційно революційної техніки в космології. Як тільки ви зможете отримати потрібну чутливість, дані принесуть дуже багато інформації», — сказав Джошуа Діллон (Joshua Dillon), науковий співробітник кафедри астрономії Каліфорнійського університету в Берклі, перший автор статті. «3D-мапа більшості світної матерії у Всесвіті є метою на наступні 50 років або більше».
Інші телескопи також вдивляються в ранній Всесвіт. Новий космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) отримав зображення галактики, яка існувала приблизно через 325 мільйонів років після народження Всесвіту внаслідок Великого Вибуху. Але JWST може бачити лише найяскравіші з галактик, що утворилися під час епохи реіонізації, а не менші, але набагато численніші карликові галактики. Зорі цих галактик нагрівали міжгалактичне середовище та іонізували більшу частину водню.
За допомогою HERA науковці прагнуть виявити випромінювання від нейтрального водню, який заповнював простір між тими ранніми зорями та галактиками. І визначити, коли цей водень перестав випромінювати або поглинати радіохвилі, бо він став іонізованим.
Той факт, що група HERA ще не виявила ці бульбашки іонізованого водню в холодному водні темних віків, «знімає з порядку денного» деякі теорії про те, як еволюціонували зорі в ранньому Всесвіті.
Зокрема, дані показують, що найдавніші зорі, які, можливо, утворилися приблизно через 200 мільйонів років після Великого Вибуху, містили небагато інших елементів, крім водню та гелію. Це відрізняється від складу теперішніх зір, які містять різноманітні так звані метали — це астрономічний термін для позначення елементів від літію до урану, тобто важчих, ніж гелій. Відкриття узгоджується з поточною моделлю того, як зорі та вибухи зір спричинили появу більшість інших елементів.
«Оскільки ми досі не зареєстрували сигнал, ранні галактики мають суттєво відрізнятися від галактик, які ми спостерігаємо нині», — сказав Аарон Парсонс (Aaron Parsons), головний дослідник HERA та доцент астрономії Каліфорнійського університету в Берклі. «Зокрема, їхні рентгенівські характеристики мали змінитися. Інакше ми б виявили сигнал, який шукаємо».
Атомний склад зір у ранньому Всесвіті визначив, скільки часу знадобилося для нагрівання міжгалактичного середовища після початку формування зірок. Ключем до цього є високоенергетичне випромінювання, насамперед рентгенівське. Воно виникає у подвійних зоряних системах, де одна із зір еволюціонувала до стадії чорної діри чи нейтронної зорі та поступово «споживає» речовину свого супутника. За невеликої кількості важких елементів значна частина маси компаньйона здувається в міжзоряний простір, а не падає на чорну діру. Це означає: менше рентгенівського випромінювання та менше нагрівання довкілля.
Нові дані відповідають найпоширенішим теоріям про те, як утворилися зорі та галактики після Великого Вибуху. Водночас попередні результати першого аналізу даних HERA, оприлюднені рік тому, натякнули, що альтернативні теорії, зокрема холодної реіонізації, малоймовірні.
«Наші результати свідчать про те, що ще до реіонізації та навіть через 450 мільйонів років після Великого Вибуху газ між галактиками мав бути нагрітий рентгенівськими променями. Ймовірно, вони походять від подвійних систем, де одна зоря втрачає масу через гравітацію свого супутника — чорну діру», — сказав Діллон. «Наші результати показують, що якщо це так, у цих зір мала бути дуже низька «металічність», тобто дуже мало елементів, крім водню та гелію, як порівняти з Сонцем. Цей висновок має сенс, адже ми говоримо про період еволюції Всесвіту до утворення більшості інших елементів».
Радіотелескоп Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) складається з 350 антен, спрямованих вгору, щоб виявити випромінювання нейтрального водню у ранньому Всесвіті на довжині хвилі 21 сантиметр. Він розташований у радіо-тихому районі посушливого Кару в Південній Африці. Авторські права на зображення: Дара Сторер (Dara Storer). Фото з сайту https://phys.org.
Епоха реіонізації
Поява Всесвіту внаслідок Великого Вибуху 13,8 мільярдів років тому породила гарячий казан енергії та елементарних частинок, які охолоджувалися протягом сотень тисяч років, перш ніж протони й електрони об’єдналися, щоб утворити атоми — головно водень і гелій. Спостерігаючи небо за допомогою чутливих телескопів, астрономи докладно нанесли на мапу слабкі коливання температури — так званий космічний мікрохвильовий фон — на цьому етапі розвитку Всесвіту, що настав лише через 380 000 років після Великого Вибуху.
Проте, крім цього реліктового теплового випромінювання, ранній Всесвіт був темним. Проте, Всесвіт розширювався і скупчення матерії сформували галактики та зорі, які також генерували випромінювання — ультрафіолетове та рентгенівське — що нагрівало газ між зорями. У якийсь момент водень втратив свій електрон, тобто став іонізованим. Так всередині нейтрального водню виникли бульбашки іонізованого водню. Ця подія і позначає початок епохи реіонізації.
Щоб виявити ці бульбашки, HERA та кілька інших експериментів зосереджені на довжині хвилі світла, яке нейтральний водень поглинає та випромінює, а іонізований водень — ні. Її називають 21-сантиметровою лінією (частота 1420 мегагерц), вона утворюється внаслідок надтонкої зміни стану атома, коли спіни електрона та протона змінюються з паралельних на антипаралельні. Іонізований водень, який втратив свій єдиний електрон, не поглинає і не випромінює цю радіочастоту.
З часу епохи реіонізації, 21-сантиметрова лінія через розширення Всесвіту зазнала зміщення у червону ділянку електромагнітного спектра до довжини хвилі в десятеро більшої — приблизно 2 метри. Досить прості антени HERA, зібрані з дроту, полімерних труб і телефонних стовпів, мають діаметр 14 метрів, збирають та фокусують це випромінювання на приймачі.
«На довжині хвилі два метри дротяна сітка для курятника є дзеркалом», — сказав Діллон. «І всі складні речі, так би мовити, містяться в серверній частині суперкомп’ютера, і весь аналіз даних, який відбувається після цього».
Для нового аналізу науковці взяли дані, отримані за 94 спостережних ночей у 2017 і 2018 роках із використанням приблизно 40 антен — це перша фаза масиву. Минулорічний попередній аналіз базувався на результатах спостережень такою ж кількістю антен протягом 18 ночей.
Основним результатом нової роботи є те, що наукова група HERA покращила чутливість масиву в 2,1 рази для випромінювання, що виникло приблизно через 650 мільйонів років після Великого Вибуху (червоне зміщення, або збільшення довжини хвилі, 7,9), і в 2,6 разів для випромінювання, яке з’явилося приблизно через 450 мільйонів років після Великого Вибуху (червоне зміщення 10,4).
Наукова група HERA вдосконалює калібрування телескопа та аналіз даних, сподіваючись побачити ці бульбашки в ранньому Всесвіті, інтенсивність яких становить приблизно 1 мільйонну частину радіошуму в околицях Землі. Відфільтрувати місцеві радіозавади, щоб зареєструвати випромінювання раннього Всесвіту, було нелегко.
«Якщо це швейцарський сир, то галактики в ньому — діри, а ми, поки що безуспішно, шукаємо сам сир», — сказав Девід Дебоір (David Deboer), астроном-дослідник з лабораторії радіоастрономії Каліфорнійського університету в Берклі.
Однак, розширюючи цю аналогію, Діллон зауважив: «Ми сказали, що сир має бути теплішим, ніж якби нічого не сталося. Якби сир був справді холодним, виявляється, було б легше спостерігати цю плямистість, ніж якби сир був теплим».
Це майже точно знімає з розгляду теорію холодної реіонізації, згідно з якою на початку цієї епохи міжзоряний простір був холоднішим. Натомість дослідники HERA підозрюють, що рентгенівське випромінювання від рентгенівських подвійних зір спочатку нагріло міжгалактичне середовище.
Колаборацію HERA очолює Каліфорнійський університет в Берклі. До її учасників також належать науковці з Північної Америки, Європи та Південної Африки.
За інф. з сайту підготував https://phys.org Іван Крячко
