Исследователи продолжают поиск сигнала возрастом двенадцать миллиардов лет, отмечающий конец темной эпохи вселенной после Большого взрыва.
Цифровое моделирование нейтрального водорода (красным), медленно нагретого первыми звездами (белым) в эпоху реионизации. Имитация была создана с помощью программы реионизации и наблюдений галактик в темную эпоху вселенной на основе цифрового моделирования (DRAGONS). © Paul Geil and Simon Mutch
Астрономы все более приближаются к сигналу, который путешествовал по вселенной в течение двенадцати миллиардов лет, и в процессе этого поиска ученые расширяют свои знания о жизни и смерти самых первых звезд.
В статье, размещенной на сервере препринтов arxiv, которая вскоре будет опубликована и в журнале Astrophysical Journal, команда исследователей сообщает о десятикратном улучшении в отношении данных, собранных с помощью Murchison Widefield Array (MWA), комплекса из 4096 дипольных антенн в отдаленной западной части Австралии. Возглавляет эту команду Николь Барри из Мельбурнского университета и Центра передового опыта по астрофизике всех небесных тел ARC в 3-х измерениях (ASTRO 3D).
Комплекс MWA, который начал свою поисковую деятельность в 2013 году, был специально разработан для регистрации электромагнитного излучения нейтрального водорода. Нейтральный водород — это газ, который заполнил большую часть молодой вселенной в период времени, когда «суп» из несвязанных протонов и нейтронов, образовавшихся в результате Большого взрыва, начал охлаждаться.
В конце концов, эти атомы водорода собрались вместе, чтобы сформировать самые первые звезды, что положило начало важной фазе эволюции вселенной, известной как эпоха реионизации.
«Определение эволюции эпохи реионизации чрезвычайно важно для наших знаний в области астрофизики и космологии», — говорит доктор. Барри. — «Но до сих пор еще никому не удавалось ее проследить. Зато теперь новые полученные результаты приближают нас к этой цели».
Нейтральный водород, который доминировал в пространстве и времени до эпохи реионизации и на ее ранней фазе, испускал излучение на длине волны около 21 сантиметра. Сегодня этот сигнал все еще существует, но растягивается до длины волны более двух метров из-за продолжающегося расширения вселенной. И его регистрация остается лучшим способом для теоретического изучения условий в самые первые дни существования вселенной.
Но это чертовски сложно. «Сигналу, который мы ищем, более двенадцати миллиардов лет», — рассказывает соавтор работы и член ASTRO 3D Катрин Тротт, доцент Международного центра радиоастрономических исследований в Университете Кертина в Западной Австралии. —
«Он исключительно слабый, и при этом между сигналом и нами находится множество других галактик. Они мешают нам и крайне затрудняют извлечение информации, которая нам необходима». Другими словами, сигналы, записанные MWA (и другими приборами, которые ищут сигналы эпохи реионизации, такие как Hydrogen Epoch of Reionisation Array в Южной Африке и Low Frequency Array в Нидерландах), чрезвычайно искажены.
На основе 21 часов исходных данных, доктор Барри и Майк Виленский (также ведущий автор из Вашингтонского университета) и их коллеги разработали новые методы для уточнения анализа и устранения источников постоянного информационного загрязнения, включая сверхслабые радиопомехи на Земле.
Результатом стало достижение уровня точности, который резко сократил возможный начальный временной диапазон эпохи реионизации и сузил границы почти на порядок. «Мы не можем сказать, что это эссе приближает нас к точному датированию начала или конца эпохи реионизации, но исключает некоторые из наиболее экстремальных моделей», — сообщила профессор Тротт. — «И о том, что это произошло очень быстро, сейчас уже не может быть и речи. Также уже полностью можно исключить и то, что условия тогда были очень холодными».
Д-р Барри сказала, что полученные результаты станут не только шагом вперед в направлении глобальной задачи исследования молодой вселенной, но и создадут рамочную основу для будущих исследований. «У нас уже имеется около 3000 часов данных, полученных с помощью MWA», — объяснила она. — «При этом для наших целей некоторые из них более полезны, чем другие. И этот подход покажет нам, какая информация является наиболее перспективной и позволит лучше ее анализировать, чем мы могли это делать раньше».
