Ученые пытаются поймать сигнал из темного века Вселенной

Когда вселенная была еще в зачаточном состоянии, в ней вообще не было звезд. И международная команда ученых как никогда близка к обнаружению, измерению и изучению сигнала этой эпохи, который путешествовал по космосу с тех пор, как эта беззвездная эра закончилась около 13 миллиардов лет назад.

Исследователи в прошлом году сообщили в Astrophysical Journal, что они добились почти 10-кратного улучшения данных о радиоизлучении, собираемых массивом телескопов Murchison Widefield Array. Члены команды в настоящее время собирают данные с радиотелескопов, чтобы получить контрольный сигнал от этого плохо изученного «темного века» нашей вселенной.

Изучение этого периода поможет решить основные вопросы о вселенной сегодня.

«Мы считаем, что свойства Вселенной в течение этой эры оказали большое влияние на формирование первых звезд и привели в движение структурные особенности Вселенной сегодня», — сказал Мигель Моралес, профессор физики UW.

«То, как материя была распределена во Вселенной в течение той поры, вероятно, сформировало, как галактики и галактические скопления распределены сегодня».

До этого темного века Вселенная была горячей и плотной. Электроны и фотоны регулярно перекрывали друг друга, делая вселенную непрозрачной. Но когда Вселенной было меньше миллиона лет, электрон-фотонные взаимодействия стали редкими. Расширяющаяся Вселенная становилась все более прозрачной и темной, начиная свой темный век.

Эра без звезд длилась около пятисот миллионов лет, в течение которых нейтральные атомы водорода — атомы водорода без общего заряда — доминировали в космосе.

«Для этого темного века, конечно, нет никакого светового сигнала, который мы могли бы изучить, чтобы узнать о нем — не было видимого света!» — говорят ученые.

«Но есть особый сигнал, который мы можем искать. Он исходит от нейтрального водорода. Мы никогда не измеряли этот сигнал, но мы знаем, что он есть. И его трудно обнаружить, потому что за 13 миллиардов лет, прошедших с тех пор, наша вселенная превратилась в очень оживленное место, наполненное другими действиями звезд, галактик и даже наших технологий, которые заглушают сигнал от нейтрального водорода».

Сигнал возрастом 13 миллиардов лет — это электромагнитное радиоизлучение, которое излучал нейтральный водород на длине волны 21 сантиметр. С тех пор вселенная расширилась, увеличивая длину волны сигнала почти до 2 метров.

Этот сигнал должен содержать информацию о темном веке и событиях, которые его закончили.

Когда Вселенной было менее миллиарда лет, атомы водорода начали собираться и образовывать первые звезды, что положило конец темному веку. Свет от этих первых звезд положил начало новой эре — эпохе реионизации, — в которой энергия этих звезд превратила большую часть нейтрального водорода в ионизированную плазму. Эта плазма доминирует в межзвездном пространстве и по сей день.

«Эпоха реионизации и предшествующий ей темный век являются критическими периодами для понимания особенностей нашей вселенной, таких как, почему у нас есть некоторые области, заполненные галактиками, а другие относительно пустые, распределение материи и потенциально даже темной материи и темной энергии», сказал Мигель Моралес.

Murchison Array — основной инструмент ученых. Этот радиотелескоп состоит из 4096 дипольных антенн, которые могут принимать низкочастотные сигналы, такие как электромагнитная сигнатура нейтрального водорода.

Но эти виды низкочастотных сигналов трудно обнаружить из-за электромагнитного «шума» от других источников, включая галактики, звезды и деятельность человека. Ученые разработали сложные методы, чтобы отфильтровать этот шум и приблизиться к этому сигналу.

В 2019 году исследователи объявили, что они отфильтровали электромагнитные помехи, в том числе из наших собственных радиопередач, из более чем 21 часа данных Murchison Array.

Двигаясь вперед, команда получила около 3000 часов дополнительных данных, собранных радиотелескопом. Сейчас исследователи пытаются отфильтровать помехи и приблизиться к неуловимому сигналу от нейтрального водорода — и темному веку, который он может осветить.

W. Li et al. First Season MWA Phase II Epoch of Reionization Power Spectrum Results at Redshift 7, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4