Астрономы близки к обнаружению сигнала из темных веков Вселенной

Около 12 миллиардов лет назад Вселенная вышла из великого космического темного века, когда зажглись первые звезды и галактики. Благодаря новому анализу данных, собранных радиотелескопом Murchison Widefield Array (MWA), ученые теперь как никогда близки к обнаружению ультра-слабой сигнатуры этого поворотного момента в космической истории.

В документе на сервере препринтов ArXiv, который вскоре будет опубликован в Astrophysical Journal, исследователи представляют первый анализ данных из новой конфигурации MWA, специально предназначенной для поиска сигнала нейтрального водорода, газа, который доминировал во вселенной во время темного века.

Анализ устанавливает новый предел — самый низкий предел — для силы сигнала нейтрального водорода.

Несмотря на его важность в космической истории, мало что известно о периоде образования первых звезд, который известен как Эпоха реионизации (EoR). Первыми атомами, которые образовались после Большого взрыва, были положительно заряженные ионы водорода — атомы, электроны которых были оторваны энергией юной Вселенной.

По мере охлаждения и расширения Вселенной атомы водорода воссоединялись со своими электронами, образуя нейтральный водород. И это почти все, что было во вселенной до 12 миллиардов лет назад, когда атомы начали собираться вместе, образуя звезды и галактики. Свет от этих объектов повторно ионизировал нейтральный водород, заставляя его в значительной степени исчезать из межзвездного пространства.

Цель таких проектов, как MWA, — найти сигнал о нейтральном водороде из темных веков и измерить, как он изменился по мере развертывания EoR. Это может открыть новую и важную информацию о первых звездах — строительных блоках вселенной, которые мы видим сегодня.

Но уловить любой проблеск этого сигнала возрастом 12 миллиардов лет — трудная задача, требующая инструментов с исключительной чувствительностью.

Когда телескоп начал работать в 2013 году, MWA представлял собой массив из 2048 радиоантенн, установленных в отдаленной сельской местности Западной Австралии. Антенны объединены в 128 «ячеек», сигналы которых объединяются суперкомпьютером, называемым Коррелятором.

В 2016 году количество ячеек было удвоено до 256, а их конфигурация по всему ландшафту была изменена, чтобы улучшить их чувствительность к сигналу нейтрального водорода. Новое исследование является первым анализом данных из расширенного массива.

Нейтральный водород испускает излучение на длине волны 21 сантиметр. Поскольку Вселенная расширилась за последние 12 миллиардов лет, сигнал от EoR теперь растянулся примерно до 2 метров, и это то, что ищут астрономы MWA.

Проблема в том, что существует множество других источников, которые излучают на той же длине волны — антропогенные источники, такие как цифровое телевидение, а также естественные источники из Млечного Пути и из миллионов других галактик.

Чтобы сосредоточиться на сигнале, исследователи используют множество технологий обработки, чтобы отсеять эти загрязнители. В то же время они учитывают уникальные частотные характеристики самого телескопа.

Эти методы анализа данных в сочетании с расширенной пропускной способностью самого телескопа привели к новой верхней границе мощности сигнала EoR. Это второй последовательный анализ наилучших предельных значений, который будет опубликован MWA, и он вселяет надежду, что эксперимент однажды обнаружит неуловимый сигнал EoR.

First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7, arXiv:1911.10216 [astro-ph.CO] arxiv.org/abs/1911.10216