Раскрытие тайн ранней Вселенной

Давным-давно, около 400 000 лет после рождения Вселенной (Большой взрыв), она была темной. Не было звезд или галактик, и вселенная была заполнена главным образом нейтральным газообразным водородом.

Затем, в течение следующих 50-100 миллионов лет, гравитация медленно вытягивала самые плотные области газа, пока в конечном счете газ не собрался в некоторых местах, чтобы образовать первые звезды.

Какими были эти первые звезды, как и когда они формировались? Как они повлияли на остальную вселенную? Это вопросы, о которых давно размышляют астрономы и астрофизики.

Теперь, после 12 лет экспериментальных усилий, группа ученых, возглавляемая Джаддом Боуменом, обнаружила следы самых ранних звезд во Вселенной. Используя радиосигналы, ученые обнаружили то, что является первым свидетельством для самых старых предков нашего космического генеалогического древа, рожденного всего через 180 миллионов лет после начала Вселенной.

«Это был очень большой технический вызов, так как источники шума могут быть в тысячу раз ярче нужного сигнала — это похоже на то, как пытаться услышать колебание крыла колибри в центре урагана», — говорит Питер Курчинский, сотрудник программы Национального научного фонда, который поддержал это исследование. «Эти исследователи с небольшой радиоантенной в пустыне увидели дальше, чем самые мощные космические телескопы, открывая новое знание о ранней вселенной».

Радиоастрономия

Чтобы найти следы древних звезд, команда Боумена использовала наземный инструмент под названием радиоспектрометр, расположенный в австралийской национальной научной службе (CSIRO) Мерчисонской радиоастрономической обсерватории (MRO) в Западной Австралии. В своем эксперименте по обнаружению глобальной подписи EoR (EDGES) команда измерила средний радиоспектр всех астрономических сигналов, полученных на большей части южного полушария, и искала небольшие изменения мощности сигнала в зависимости от длины волны (или частоты).

Поскольку радиоволны поступают на наземную антенну, они усиливаются приемником, а затем оцифровываются и записываются компьютером, подобно тому, как работают FM-приемники и телевизионные приемники. Разница в том, что прибор очень точно откалиброван и рассчитан на максимально равномерное использование на многих радиоволнах.

Сигналы, обнаруженные радиоспектрометром в этом исследовании, исходили из первичного водородного газа, который заполнил юную Вселенную и существовал между всеми звездами и галактиками. Эти сигналы содержат множество информации, которая открывает новое окно знаний о том, как сформировались и эволюционировали ранние звезды, а затем черные дыры и галактики.

Австралийское национальное законодательство ограничивает использование радиопередатчиков в радиусе 161,5 миль (260 км) от места, где проводились наблюдения, что существенно снижает помехи, которые в противном случае могли бы заглушить чувствительные астрономические наблюдения.

Результаты этого исследования были недавно опубликованы в Nature Боуменом, с соавторами Аланом Роджерсом из Обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, Раулем Монсальве из Университета Колорадо, Томасом Моззеном и Ниведитой Махешем также из Школы Земли АГУ и Исследования космического пространства.

Неожиданные результаты

Результаты этого эксперимента подтверждают общие теоретические ожидания того, когда сформировались первые звезды и основные свойства ранних звезд.

«То, что происходило в тот период, — говорит соавтор Роджерс из Обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, — заключается в том, что часть излучения первых звезд начинает позволять нам видеть водород. Это приводит к тому, что водород начинает поглощать фоновое излучение, поэтому вы начинаете видеть его на определенных радиочастотах. Это первый реальный сигнал о том, что звезды начинают формироваться и начинают влиять на среду вокруг них».

Команда первоначально настроила свой инструмент, чтобы изучать более поздний временной интервал, но в 2015 году решила расширить свой поиск. «Как только мы переключили нашу систему на этот более низкий диапазон, мы начали видеть то, что, по нашему мнению, могло бы стать настоящей сигнатурой», — говорит Роджерс. «Мы видим, что частота 78 мегагерц соответствует примерно возрасту 180 миллионам лет после Большого взрыва», — говорит Роджерс.

Исследование также показало, что газ во Вселенной был, вероятно, намного холоднее, чем ожидалось (менее половины ожидаемой температуры). Это говорит о том, что либо теоретические усилия астрофизиков упускают из виду что-то существенное, либо это может быть первым доказательством нестандартной физики: в частности, что барионы (нормальная материя), возможно, взаимодействовали с темной материей и медленно теряли энергию для темной материи в ранней Вселенной — концепция, которая первоначально была предложена Реннаном Барканой из Тель-Авивского университета.

«Если идея Барканы подтвердится, — говорит Боуман, — тогда мы узнали что-то новое и фундаментальное в отношении таинственной темной материи, которая составляет 85 процентов материи во вселенной, обеспечивая первый взгляд на физику за пределами стандартной модели».

Джадд Боумен хотел бы ускорить усилия по созданию новых радиотелескопов, таких как водородная эпоха реионизационного массива (HERA) и длинный длинноволновый массив долины Owens (OVRO-LWA).

«Теперь, когда мы знаем, что такие сигналы существует, — говорит Боумен, — нам нужно быстро создать новые радиотелескопы, которые смогут улавливать сигнал гораздо глубже и дальше».

Антенны и части приемника, используемые в этом эксперименте, были спроектированы и построены Роджерсом и командой обсерватории Массачусетского технологического института. Команда ASU и Monsalve добавили автоматическую систему измерения отражения антенны к приемнику, оснастили электроникой, построили плоскость заземления и провели полевые работы для проекта. Текущая версия EDGES является результатом многолетней проектной итерации и постоянного подробного технического уточнения калибровочного инструментария для достижения уровня точности, необходимого для успешного достижения этого трудного измерения.

Больше информации: Judd D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25792

Rennan Barkana. Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25791