Необнаружение ключевого сигнала позволяет астрономам определить, какими были/не были первые галактики

Ученые смогли сделать некоторые ключевые выводы о первых из галактик в одном из первых астрофизических исследований периода ранней Вселенной, когда формировались первые звезды и галактики, известного как космический рассвет.

Об этом рассказали в Кембриджском университете.

Используя данные индийского радиотелескопа SARAS3, исследователи смогли заглянуть в самую раннюю Вселенную — всего 200 миллионов лет после Большого взрыва — и установить ограничения на массу и энергию первых звезд и галактик.

Как ни странно, они смогли установить эти пределы для самых ранних галактик, не обнаружив сигнал, который они искали, известный как 21-сантиметровая водородная линия.

Это необнаружение позволило исследователям сделать другие выводы о космическом рассвете путем наложения ограничения на первые галактики, что позволило им исключить сценарии, в которые входят галактики, которые были неэффективными нагревателями космического газа и эффективными производителями радиоизлучения.

Хотя мы пока не можем непосредственно наблюдать эти ранние галактики, результаты, о которых сообщается в журнале Nature Astronomy, являются важным шагом в понимании того, как наша Вселенная превратилась из практически пустой в заполненную звездами.

Понимание ранней Вселенной, когда формировались первые звезды и галактики, является одной из главных целей новых обсерваторий. Результаты, полученные с помощью данных SARAS3, являются доказательством концепции исследования, которое прокладывает путь к пониманию этого периода в развитии Вселенной.

Проект SKA, включающий два телескопа следующего поколения, который должен быть завершен к концу десятилетия, вероятно, сможет сделать изображение ранней Вселенной, но для нынешних телескопов задача состоит в том, чтобы обнаружить космологический сигнал первых звезд, переизлученный плотными водородными облаками.

Этот сигнал известен как 21-сантиметровая линия - радиосигнал, создаваемый атомами водорода в ранней Вселенной. В отличие от недавно запущенного космического телескопа Джеймса Уэбба, который сможет напрямую получать изображения отдельных галактик в ранней Вселенной, исследования 21-сантиметровой линии, проведенные с помощью радиотелескопов, таких как REACH (Радиоэксперимент по анализу космического водорода) под руководством Кембриджа, могут рассказать нам о целых популяциях еще более ранних галактик. Первые результаты от REACH ожидаются в начале 2023 года.

Чтобы обнаружить 21-сантиметровую линию, астрономы ищут радиосигнал, производимый атомами водорода в ранней Вселенной, на который влияет свет от первых звезд и излучение за водородным туманом. Ранее в этом году те же исследователи разработали метод, который, по их словам, позволит им увидеть сквозь туман ранней Вселенной и обнаружить свет от первых звезд. Некоторые из этих методов уже были применены на практике в текущем исследовании.

В 2018 году другая исследовательская группа, работающая в рамках эксперимента EDGES, опубликовала результат, который намекал на возможное обнаружение этого самого раннего света. Зарегистрированный сигнал был необычно сильным по сравнению с тем, что ожидается в простейшей астрофизической картине ранней Вселенной. Недавно данные SARAS3 опровергли это обнаружение: результат EDGES все еще ожидает подтверждения от независимых наблюдений.

В повторном анализе данных SARAS3 команда под руководством Кембриджа проверила различные астрофизические сценарии, которые потенциально могли бы объяснить результат EDGES, но они не нашли соответствующего сигнала. Зато команда смогла установить некоторые ограничения на свойства первых звезд и галактик.

Результаты анализа SARAS3 — это первый случай, когда радионаблюдения усредненной 21-сантиметровой линии смогли дать представление о свойствах первых галактик в виде ограничений на их основные физические свойства.

Используя методы статистического моделирования, исследователи не смогли найти сигнал в данных SARAS3.

"Мы искали сигнал с определенной амплитудой", - сказал Гарри Бевинс, аспирант из Кавендишской лаборатории Кембриджа и ведущий автор работы. "Но, не найдя такого сигнала, мы можем установить предел его глубины. Это, в свою очередь, дает нам информацию о том, насколько яркими были первые галактики".

"Наш анализ показал, что сигнал водорода может рассказать нам о популяции первых звезд и галактик", - говорит соавтор исследования доктор Анастасия Фиалкова из Института астрономии Кембриджа. "Наш анализ накладывает ограничения на некоторые ключевые свойства первых источников света, включая массу самых ранних галактик и эффективность, с которой эти галактики могут образовывать звезды. Мы также рассматриваем вопрос о том, насколько эффективно эти источники испускают рентгеновское, радио- и ультрафиолетовое излучение".

"Для нас это первый шаг в том, что, как мы надеемся, станет десятилетием открытий о том, как Вселенная перешла от темноты и пустоты к сложному царству звезд, галактик и других небесных объектов, которые мы можем наблюдать с Земли сегодня", - сказал доктор Элой де Лера Аседо из Кавендишской лаборатории Кембриджа, который был одним из руководителей исследования.

Наблюдательное исследование, во многом первое в своем роде, исключает сценарии, в которых самые ранние галактики были одновременно более чем в тысячу раз ярче современных галактик в радиодиапазоне и были плохими нагревателями водородного газа.

"Наши данные также показывают то, на что намекали и раньше, а именно, что первые звезды и галактики могли внести измеримый вклад в фоновое излучение, появившееся в результате Большого взрыва и которое с тех пор движется к нам", - сказал де Лера Аседо, - "Мы также устанавливаем предел этого вклада".

"Удивительно, что мы можем заглянуть так далеко в прошлое - всего на 200 миллионов лет назад после Большого взрыва — и узнать о ранней Вселенной", - подчеркнул Бевинс.

новина українською мовою