Масив із 350 радіотелескопів у пустелі Кару в Південній Африці, як вважають дослідники, стає дедалі ближчим до виявлення "космічного світанку" - епохи після Великого вибуху, коли вперше запалали зорі й почали розквітати галактики.
У статті, прийнятій до публікації в The Astrophysical Journal, команда дослідників водневої епохи реіонізації (HERA) повідомляє, що їй вдалося подвоїти чутливість масиву, який вже був найчутливішим радіотелескопом у світі, призначеним для вивчення цього унікального періоду в історії Всесвіту.
Хоча у них ще попереду виявлення радіовипромінювання кінця космічних темних віків, їхні результати дають уявлення про склад зірок і галактик у ранньому Всесвіті. Зокрема, їхні дані свідчать про те, що ранні галактики містили дуже мало елементів, крім водню й гелію, на відміну від наших сьогоднішніх галактик.
Коли радіотарілки будуть повністю готові до роботи й відкалібровані, в ідеальному випадку восени цього року, команда сподівається побудувати тривимірну мапу бульбашок іонізованого й нейтрального водню в міру їхньої еволюції в період від 200 мільйонів років тому до приблизно 1 мільярда років після Великого вибуху. Карта може розповісти нам, чим ранні зорі й галактики відрізнялися від тих, які ми бачимо навколо себе сьогодні, та який вигляд мав Всесвіт загалом у підлітковому віці.
"Це рух до потенційно революційного методу в космології. Щойно ви зможете домогтися потрібної чутливості, у даних виявиться так багато інформації", - каже Джошуа Діллон, науковий співробітник кафедри астрономії Каліфорнійського університету в Берклі та провідний автор статті. "Тривимірна карта більшої частини світної матерії у Всесвіті - це мета на найближчі 50 років або більше".
Інші телескопи також заглядають у ранній Всесвіт. Новий космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) уже отримав зображення галактики, що існувала приблизно 325 мільйонів років після народження Всесвіту внаслідок Великого вибуху. Але JWST може побачити тільки найяскравіші галактики, що сформувалися в епоху реіонізації, а не менші, але значно чисельніші карликові галактики, зорі яких нагріли міжгалактичне середовище та іонізували більшу частину водневого газу.
HERA прагне виявити випромінювання нейтрального водню, що заповнював простір між цими ранніми зорями й галактиками, і, зокрема, визначити, коли цей водень перестав випромінювати або поглинати радіохвилі, оскільки став іонізованим.
Той факт, що команда HERA поки що не виявила ці бульбашки іонізованого водню всередині холодного водню космічної темної епохи, виключає деякі теорії про те, як у ранньому Всесвіті розвивалися зорі.
Зокрема, дані показують, що найбільш ранні зорі, які могли сформуватися приблизно за 200 мільйонів років після Великого вибуху, містили мало інших елементів, окрім водню й гелію. Це відрізняється від складу сучасних зірок, які містять цілу низку так званих металів - астрономічний термін для позначення елементів, які важчі за гелій, починаючи від літію та закінчуючи ураном. Це відкриття узгоджується з наявною моделлю того, як зорі та зоряні вибухи виробили більшість інших елементів.
"Ранні галактики повинні були значно відрізнятися від галактик, які ми спостерігаємо сьогодні, щоб ми не побачили сигнал", - сказав Аарон Парсонс, головний дослідник HERA і доцент астрономії в Берклі. "Зокрема, повинні були змінитися їхні рентгенівські характеристики. В іншому разі ми б виявили шуканий сигнал".
Атомний склад зірок у ранньому Всесвіті визначав, скільки часу знадобиться для нагрівання міжгалактичного середовища після початку формування зірок. Ключову роль у цьому відіграє високоенергетичне випромінювання, насамперед рентгенівське, яке продукують бінарні зорі, одна з яких перетворилася на чорну діру або нейтронну зірку і поступово пожирає свою супутницю. За малої кількості важких елементів більша частина маси компаньйона здувається, а не падає на чорну діру, що означає меншу кількість рентгенівських променів і менше нагрівання навколишнього регіону.
Нові дані відповідають найбільш популярним теоріям про те, як зорі й галактики утворилися після Великого вибуху, але не іншим. Попередні результати першого аналізу даних HERA, про які повідомлялося рік тому, натякали на те, що ці альтернативи - а саме, холодна реіонізація - малоймовірні.
"Наші результати свідчать про те, що ще до реіонізації та вже через 450 мільйонів років після Великого вибуху газ між галактиками мав нагріватися рентгенівським випромінюванням. Найімовірніше, вони виходили від бінарних систем, де одна зоря втрачає масу на чорну діру-компаньйонку", - каже Діллон. "Наші результати показують, що якщо це так, то ці хорі повинні були мати дуже низьку "металічність", тобто містити дуже мало елементів, окрім водню й гелію, порівняно з нашим Сонцем, що має сенс, оскільки ми говоримо про період часу у Всесвіті до утворення більшості інших елементів".
Епоха реіонізації
Під час зародження Всесвіту внаслідок Великого вибуху 13,8 мільярдів років тому утворився гарячий казан енергії та елементарних частинок, який остигав сотні тисяч років, перш ніж протони й електрони об'єдналися в атоми, головним чином водень і гелій. Дивлячись на небо за допомогою чутливих телескопів, астрономи детально відобразили слабкі коливання температури в цей момент - те, що відоме як космічний мікрохвильовий фон - лише через 380 000 років після Великого вибуху.
Однак, крім цього реліктового теплового випромінювання, ранній Всесвіт був темним. У міру розширення Всесвіту згустки матерії породжували галактики й зорі, які, своєю чергою, продукували випромінювання - ультрафіолетове й рентгенівське - яке нагрівало газ між зорями. У якийсь момент водень почав іонізуватися - він втратив свій електрон - і утворив бульбашки всередині нейтрального водню, що ознаменувало початок епохи реіонізації.
Щоб скласти карту цих бульбашок, HERA і кілька інших експериментів сфокусовані на довжині хвилі світла, яку нейтральний водень поглинає і випромінює, а іонізований водень - ні. Названа 21-сантиметровою лінією (частота 1 420 мегагерц), вона утворюється внаслідок гіперфінного переходу, під час якого спіни електрона й протона змінюються з паралельних на антипаралельні. Іонізований водень, що втратив свій єдиний електрон, не поглинає і не випромінює цю радіочастоту.
З епохи реіонізації 21-сантиметрову лінію зсунуло розширенням Всесвіту до довжини хвилі, що в 10 разів більша, - близько 2 метрів. Досить прості антени HERA, що являють собою конструкцію з дротяної сітки, труб ПВХ і телефонних стовпів, мають 14 метрів у поперечнику, щоб збирати й фокусувати це випромінювання на детекторах.
"На довжині хвилі у два метри дротяна сітка - це дзеркало", - сказав Діллон. "А всі складні речі, так би мовити, перебувають у бекенді суперкомп'ютера та в усьому аналізі даних, який відбувається після цього".
Новий аналіз ґрунтується на даних 94 ночей спостережень у 2017 і 2018 роках з використанням близько 40 антен - першої фази масиву. Торішній попередній аналіз був заснований на 18 ночах спостережень першої фази.
Головний результат нової статті полягає в тому, що команда HERA поліпшила чутливість решітки у 2,1 раза для світла, випущеного приблизно через 650 мільйонів років після Великого вибуху (червоний зсув, або збільшення довжини хвилі, z=7,9), і в 2,6 раза для випромінювання, випущеного приблизно через 450 мільйонів років після Великого вибуху (z=10,4).
Команда HERA продовжує вдосконалювати калібрування телескопа й аналіз даних, сподіваючись побачити ці бульбашки в ранньому Всесвіті, інтенсивність яких приблизно в 1 мільйон разів менша за інтенсивність радіошуму в околицях Землі. Відфільтрувати місцевий радіошум, щоб побачити випромінювання раннього Всесвіту, було нелегко.
"Якщо це швейцарський сир, то галактики роблять дірки, а ми шукаємо сир, і поки безуспішно", - сказав Девід Дебоер, астроном-дослідник із лабораторії радіоастрономії в Берклі.
Однак, розширюючи цю аналогію, Діллон зазначив: "Ми зробили наступне: ми сказали, що сир має бути теплішим, ніж якби нічого не сталося. Якби сир був дійсно холодним, виявилося б, що спостерігати цю строкатість було б легше, ніж якби сир був теплим".
Це здебільшого виключає теорію холодної реіонізації, яка передбачала більш холодну початкову точку. Замість цього дослідники HERA підозрюють, що рентгенівські промені від рентгенівських бінарних зірок спочатку нагріли міжгалактичне середовище.
"Рентгенівські промені ефективно нагрівають весь блок сиру, перш ніж утворяться дірки", - сказав Діллон. "А ці діри - іонізовані шматочки".
"HERA продовжує вдосконалюватися й встановлювати все кращі та кращі обмеження", - сказав Парсонс. "Той факт, що ми можемо продовжувати просуватися вперед, і у нас є нові методи, які продовжують приносити плоди для нашого телескопа, просто чудовий".
Співпрацю HERA очолює Каліфорнійський університет у Берклі, до неї входять вчені з Північної Америки, Європи та Південної Африки.
Джерело: news.berkeley.edu
Фотографії: Dara Storer
Коментарі
Дописати коментар