До того как космос озарился звёздами и галактиками, Вселенная прошла через тёмную, безмолвную эру. Но новые открытия показывают, что эта тишина могла быть не такой холодной, как считалось ранее.
Используя почти десятилетние наблюдения с удалённого радиотелескопа в Западной Австралии, астрономы обнаружили признаки того, что пространство могло начать нагреваться за сотни миллионов лет до появления первого света, задолго до того, как галактики начали излучать свет.
Долгое тёмное начало
Около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная возникла в результате Большого взрыва — взрыва, настолько горячего и плотного, что это трудно представить. Через несколько сотен тысяч лет температура снизилась настолько, что частицы начали объединяться в нейтральные атомы водорода, погружая всё во мрак.
Эта фаза, известная как космические тёмные века, длилась сотни миллионов лет. Никаких звёзд, никаких галактик, только охлаждающийся газ и расширяющееся пространство. В конце концов, гравитация подтолкнула эту материю к плотным скоплениям, что привело к образованию первых светящихся объектов — звёзд и чёрных дыр, которые ознаменовали конец темноты.
Их энергия, особенно в форме ультрафиолетового излучения, начала сжигать водородный туман в драматической фазе, известной как реионизация, расчищая небо и позволяя свету свободно перемещаться в космосе. Но что пробудило Вселенную непосредственно перед этим пробуждением? Именно это и стремились выяснить авторы нового исследования.
Поиск шёпота из прошлого
Поскольку самые первые звёзды слишком далеки и слабы, чтобы их можно было наблюдать напрямую, учёные полагаются на едва заметные отпечатки, которые они оставили после себя. Одним из наиболее показательных является 21-сантиметровая линия водорода — едва заметное радиоизлучение, возникающее, когда протон и электрон атома водорода меняют своё вращение.
Растянутое за миллиарды лет космического расширения, этот сигнал действует как тепловой отпечаток, раскрывая температуру и условия межгалактического газа в самые ранние эпохи Вселенной.
Команда, стоящая за новым исследованием, возглавляемая учёными из Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR), хотела найти этот сигнал примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Для этого они обратились к массиву Murchison Widefield Array — высокочувствительному телескопу, расположенному в глубине пустыни в Западной Австралии, вдали от техногенных помех.
Отсутствие сигнала — это сигнал
После тщательной фильтрации собранных сигналов для удаления помех от близлежащих галактик, атмосферы Земли и самого инструмента команда ожидала обнаружить доказательства существования чрезвычайно холодного водорода — чёткого провала в радиоспектре. Но этой особенности не оказалось.
Вместо этого данные показали отсутствие экстремального холода. Это едва заметное различие указывает на то, что водородный газ уже был слегка нагрет, возможно, рентгеновским излучением от самых ранних чёрных дыр или последним светом от массивных звёзд первого поколения, которые уже появились и исчезли.
Кэтрин Тротт, ведущий автор и профессор Университета Кертина, объяснила: «По мере эволюции Вселенной газ между галактиками расширяется и охлаждается, поэтому мы ожидаем, что он будет очень, очень холодным. Наши измерения показывают, что он хотя бы слегка нагрет. Не сильно, но это говорит нам о том, что полностью холодная реионизация исключена».
Астрономы должны были отфильтровать все остальные сигналы с неба, чтобы выделить оставшиеся данные.
Тонкий сдвиг с большими последствиями
Хотя неуловимый 21-сантиметровый сигнал не был обнаружен напрямую, исследование позволило создать самую чистую карту ранней радио Вселенной. Прорыв стал возможен благодаря новому методу очистки данных, который успешно устранил фоновые помехи — важный шаг вперёд, поскольку астрономы готовятся к более мощным наблюдениям.
Все взоры теперь обращены на «Квадратный километр» (SKA) — масштабный международный проект по созданию радиотелескопа, который в настоящее время строится в Австралии и Южной Африке. Ожидается, что после ввода в эксплуатацию SKA будет обладать чувствительностью, необходимой для прямого обнаружения этих слабых сигналов водорода, что позволит получить гораздо более детальное представление о том, как возникли первые космические структуры.
Соавтор Ридхима Нунхоки суммировала это следующим образом: «Мы знаем, что ищем. Нам просто нужно несколько часов данных [SKA], которые позволят нам достичь желаемого уровня».
А пока слабый шёпот водорода в тёмной ранней Вселенной продолжает дразнить астрономов, давая достаточно тепла, чтобы изменить историю.