Астрономы впервые напрямую поймали радиоголос древнего водорода из глубин Вселенной с помощью телескопа MeerKAT

Команда астрономов из Манчестерского университета и Университета Западной Капской провинции (Western Cape) с помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT напрямую зафиксировала сверхслабый радиосигнал от нейтрального водорода, который находится на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Это открытие позволяет по-новому изучать крупномасштабную структуру Вселенной. Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Астрономы давно знают, что нейтральный водород — самый распространенный элемент в космосе, испускает характерный радиосигнал с длиной волны около 21 сантиметра. Но уловить этот сигнал от газовых облаков, которые находятся за миллиарды световых лет, крайне сложно: он чрезвычайно слаб и тонет в шумах земных передатчиков, фоновом излучении и помехах самих приборов.

До сих пор ученым удавалось надежно регистрировать такое излучение только в комбинации с оптическими наблюдениями отдельных галактик. Однако новая работа показывает, что теперь это можно делать чисто радиотелескопическими средствами.

Группа исследователей проанализировала около 96 часов данных, собранных телескопом MeerKAT в 2018 году, когда он только начинал свою научную программу. Они искали коллективный сигнал от множества далеких галактик, которые невозможно различить по отдельности. Вместо того чтобы считать каждую звездную систему, ученые измерили суммарное излучение водорода в огромных областях пространства, масштабом в несколько миллионов световых лет. Для сравнения: это примерно расстояние от Млечного Пути до соседней галактики Андромеды.

Сигнал, который они зафиксировали, пришел к нам из двух эпох космической истории, когда Вселенная была на четыре-пять миллиардов лет моложе, чем сегодня. По мере расширения Вселенной исходная 21-сантиметровая волна растягивалась, и теперь ее длина стала больше, это как раз и позволило астрономам «увидеть» водород на разных этапах его путешествия сквозь время. Такой подход, называемый картированием интенсивности, не требует детального изучения каждой галактики по отдельности, а дает общую трехмерную картину распределения вещества.

Обработка данных оказалась непростой задачей. Исследователям пришлось тщательно отделять полезный сигнал от множества помех: земных радиостанций, инструментальных шумов и фонового излучения. Они применили два разных метода очистки данных, и оба подтвердили наличие сигнала. В одном случае достоверность составила более трех сигм, в другом почти девять сигм, что считается очень надежным результатом в физике элементарных частиц и астрофизике.

Особенно важно, что наблюдения, использованные в работе, изначально не планировались для такого рода измерений. Это значит, что текущий архив данных MeerKAT, который намного больше и богаче, может скрывать еще множество подобных открытий. А сам телескоп является прототипом будущей гигантской обсерватории Square Kilometer Array (SKA), для которой картирование водорода станет одной из главных научных задач.

В итоге исследование доказывает, что метод картирования интенсивности водорода переходит из разряда теоретических разработок в реальный рабочий инструмент. Теперь астрономы могут изучать распределение материи, эволюцию галактик и даже влияние темной материи на космическую паутину, не тратя годы на наблюдения каждой галактики по отдельности. Работа открывает путь к более точным и быстрым обзорам Вселенной, а также подтверждает, что даже данные, собранные несколько лет назад, способны принести прорывные результаты.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях