Понимание перехода Вселенной от тьмы к свету
Понимание того, как Вселенная перешла от тьмы к свету с формированием первых звёзд и галактик, является ключевым поворотным моментом в развитии Вселенной, известным как Космический рассвет. Однако даже с помощью самых мощных телескопов мы не можем напрямую наблюдать эти самые ранние звёзды, поэтому определение их свойств — одна из самых больших задач в астрономии.
Международный прорыв в изучении первых звёзд
Международная группа астрономов под руководством Кембриджского университета показала, что мы сможем узнать о массах первых звёзд, изучая специфический радиосигнал, созданный атомами водорода, заполняющими промежутки между регионами звездообразования, возникший всего через сто миллионов лет после Большого взрыва.
Изучая, как первые звёзды и их остатки повлияли на этот сигнал, называемый 21-сантиметровым сигналом, исследователи показали, что будущие радиотелескопы помогут нам понять самую раннюю Вселенную и то, как она трансформировалась из почти однородной массы, состоящей в основном из водорода, в ту невероятную сложность, которую мы видим сегодня. Их результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
«Это уникальная возможность узнать, как первый свет Вселенной вырвался из темноты», — сказала соавтор исследования профессор Анастасия Фиалков из Кембриджского института астрономии. «Переход от холодной, тёмной Вселенной к Вселенной, наполненной звёздами, — это история, которую мы только начинаем понимать».
Изучение древнейших звёзд Вселенной
Изучение самых древних звёзд Вселенной основано на слабом свечении 21-сантиметрового сигнала — тонкого энергетического сигнала, возникшего более 13 миллиардов лет назад. Этот сигнал, на который повлияла радиация от ранних звёзд и чёрных дыр, предоставляет редкое окно в младенчество Вселенной.
Фиалков возглавляет теоретическую группу REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) — радиоантенну и один из двух крупных проектов, которые могут помочь нам узнать о Космическом рассвете и Эпохе реионизации, когда первые звёзды реионизировали нейтральные атомы водорода во Вселенной.
Хотя REACH, улавливающая радиосигналы, всё ещё находится на стадии калибровки, она обещает раскрыть данные о ранней Вселенной. Тем временем Square Kilometer Array (SKA) — массив антенн, находящийся в стадии строительства, — будет составлять карту флуктуаций космических сигналов в обширных регионах неба.
Оба проекта жизненно важны для изучения масс, светимостей и распределения самых ранних звёзд Вселенной. В текущем исследовании Фиалков и её коллеги разработали модель, которая делает прогнозы для 21-сантиметрового сигнала для REACH и SKA, и обнаружили, что сигнал чувствителен к массам первых звёзд.
«Мы — первая группа, которая последовательно смоделировала зависимость 21-сантиметрового сигнала от масс первых звёзд, включая влияние ультрафиолетового излучения звёзд и рентгеновского излучения от рентгеновских двойных систем, образующихся при гибели первых звёзд», — сказала Фиалков.
В разработке своей теоретической модели исследователи изучили, как 21-сантиметровый сигнал реагирует на распределение масс первых звёзд, известных как звёзды Популяции III. Они обнаружили, что предыдущие исследования недооценивали эту связь, поскольку не учитывали количество и яркость рентгеновских двойных систем среди звёзд Популяции III и то, как они влияют на 21-сантиметровый сигнал.
В отличие от оптических телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба, которые фиксируют яркие изображения, радиоастрономия опирается на статистический анализ слабых сигналов. REACH и SKA не смогут отобразить отдельные звёзды, но предоставят информацию о целых популяциях звёзд, рентгеновских двойных системах и галактиках.
«Требуется немного воображения, чтобы связать радиоданные с историей первых звёзд, но последствия этого глубоки», — сказала Фиалков.
«Прогнозы, о которых мы сообщаем, имеют огромное значение для нашего понимания природы самых первых звёзд во Вселенной», — сказал соавтор доктор Элой де Лера Аседо, главный исследователь телескопа REACH и научный сотрудник Кембриджского университета по вопросам разработки SKA. «Мы приводим доказательства того, что наши радиотелескопы могут рассказать нам подробности о массе этих первых звёзд и о том, что эти ранние источники света могли сильно отличаться от современных звёзд».
Анастасия Фиалков — член колледжа Магдалины в Кембридже. Элой де Лера Аседо — научный сотрудник колледжа Селвина в Кембридже.
Предоставлено University of Cambridge.