Ученые приближаются к сигналу от конца Темных веков Вселенной

Международная команда ученых как никогда приблизилась к обнаружению, измерению и изучению сигнала этой эпохи, который путешествовал по космосу с тех пор, как она закончилась около 13 миллиардов лет назад.

Группа исследователей из Вашингтонского университета, Мельбурнского университета, Университета Кертина и Университета Брауна в прошлом году сообщила в Astrophysical Journal, что добилась почти 10-кратного улучшения данных о радиоизлучении, собираемом массивом Murchison Widefield Array. Сейчас члены команды обыскивают данные с этого радиотелескопа в Западной Австралии, чтобы получить контрольный сигнал от плохо изученных «темных веков» нашей Вселенной.

Изучение этого периода поможет решить основные вопросы о Вселенной.

«Мы думаем, что свойства Вселенной в течение этой эры оказали большое влияние на формирование первых звезд и привели в движение структурные особенности Вселенной сегодня», - сказал член команды Мигель Моралес. «То, как материя была распределена во Вселенной в течение темных веков, вероятно, сформировало распределение галактик и галактических скоплений сегодня».

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

Эра без звезд длилась сотни миллионов лет, в течение которых нейтральные атомы водорода доминировали в космосе.

«Для темных веков нет никакого светового сигнала, который мы могли бы изучить – тогда не было видимого света!» сказал Моралес. «Но есть особый сигнал, который мы можем искать. Он исходит от всего 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 воздействиями звезд, галактик и даже наших технологий, которые заглушают сигнал от нейтрального водорода».

13-миллиардолетний сигнал, за которым следуют Моралес и его команда, - это электромагнитное радиоизлучение, которое излучал нейтральный водород на длине волны 21 сантиметр. С тех пор Вселенная расширилась, распространяя сигнал почти до 2 метров.

Этот сигнал должен содержать информацию о темных веках и событиях, которые его завершили, сказал Моралес.

Когда Вселенной было всего 1 миллиард лет, атомы водорода начали собираться и образовывать первые звезды, что положило конец темным векам. Свет 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 предшествующие ей темные века стали критическими периодами для понимания особенностей нашей Вселенной, например, почему у нас есть некоторые области, заполненные галактиками, а другие относительно пустые; распределение материи и потенциально даже темной материи и темной энергии», сказал Моралес.

Murchison Widefield Array - основной инструмент команды. 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. Моралес и его коллеги разрабатывали все более 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.

Продвигаясь вперед, команда получила около 3000 часов дополнительных данных о излучении, собранных радиотелескопом. Исследователи пытаются отфильтровать помехи и приблизиться к неуловимому сигналу от нейтрального водорода - и темным векам, который он может осветить.