Сильно ли отличались галактики в ранней Вселенной?

Массив из 350 радиотелескопов в пустыне Кару в Южной Африке, как считают исследователи, становится все ближе к обнаружению "космического рассвета" - эпохи после Большого взрыва, когда впервые зажглись звезды и начали расцветать галактики.

В статье, принятой к публикации в The Astrophysical Journal, команда исследователей водородной эпохи реионизации (HERA) сообщает, что ей удалось удвоить чувствительность массива, который уже был самым чувствительным радиотелескопом в мире, предназначенным для изучения этого уникального периода в истории Вселенной.

Хотя у них еще впереди обнаружение радиоизлучения конца космических темных веков, их результаты дают представление о составе звезд и галактик в ранней Вселенной. В частности, их данные свидетельствуют о том, что ранние галактики содержали очень мало элементов, кроме водорода и гелия, в отличие от наших сегодняшних галактик.

Когда радиотарелки будут полностью готовы к работе и откалиброваны, в идеальном случае осенью этого года, команда надеется построить трехмерную карту пузырей ионизированного и нейтрального водорода по мере их эволюции в период от 200 миллионов лет назад до примерно 1 миллиарда лет после Большого взрыва. Карта может рассказать нам, чем ранние звезды и галактики отличались от тех, которые мы видим вокруг себя сегодня, и как выглядела Вселенная в целом в подростковом возрасте.

"Это движение к потенциально революционному методу в космологии. Как только вы сможете добиться нужной чувствительности, в данных окажется так много информации", - говорит Джошуа Диллон, научный сотрудник кафедры астрономии Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи. "Трехмерная карта большей части светящейся материи во Вселенной - это цель на ближайшие 50 лет или более".

Другие телескопы также заглядывают в раннюю Вселенную. Новый космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) уже получил изображение галактики, существовавшей примерно 325 миллионов лет после рождения Вселенной в результате Большого взрыва. Но JWST может увидеть только самые яркие галактики, сформировавшиеся в эпоху реионизации, а не меньшие, но значительно более многочисленные карликовые галактики, звезды которых нагрели межгалактическую среду и ионизировали большую часть водородного газа.

HERA стремится обнаружить излучение нейтрального водорода, заполнявшего пространство между этими ранними звездами и галактиками, и, в частности, определить, когда этот водород перестал излучать или поглощать радиоволны, поскольку стал ионизированным.

Тот факт, что команда HERA пока не обнаружила эти пузыри ионизированного водорода внутри холодного водорода космической темной эпохи, исключает некоторые теории о том, как в ранней Вселенной развивались звезды.

В частности, данные показывают, что самые ранние звезды, которые могли сформироваться примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва, содержали мало других элементов, кроме водорода и гелия. Это отличается от состава современных звезд, которые содержат целый ряд так называемых металлов - астрономический термин для обозначения элементов, которые тяжелее гелия, начиная от лития и заканчивая ураном. Это открытие согласуется с имеющейся моделью того, как звезды и звездные взрывы произвели большинство других элементов.

"Ранние галактики должны были значительно отличаться от галактик, которые мы наблюдаем сегодня, чтобы мы не увидели сигнал", - сказал Аарон Парсонс, главный исследователь HERA и доцент астрономии в Беркли. "В частности, должны были измениться их рентгеновские характеристики. В противном случае мы бы обнаружили искомый сигнал".

Атомный состав звезд в ранней Вселенной определял, сколько времени понадобится для нагревания межгалактической среды после начала формирования звезд. Ключевую роль в этом играет высокоэнергетическое излучение, прежде всего рентгеновское, которое продуцируют бинарные звезды, одна из которых превратилась в черную дыру или нейтронную звезду и постепенно пожирает свою спутницу. При малом количестве тяжелых элементов большая часть массы компаньона сдувается, а не падает на черную дыру, что означает меньшее количество рентгеновских лучей и меньший нагрев окружающего региона.

Новые данные соответствуют наиболее популярным теориям о том, как звезды и галактики образовались после Большого взрыва, но не другим. Предыдущие результаты первого анализа данных HERA, о которых сообщалось год назад, намекали на то, что эти альтернативы - а именно, холодная реионизация - маловероятны.

"Наши результаты свидетельствуют о том, что еще до реионизации и уже через 450 миллионов лет после Большого взрыва газ между галактиками должен был нагреваться рентгеновским излучением. Вероятнее всего, они исходили от бинарных систем, где одна звезда теряет массу на черную дыру-компана", - говорит Диллон. "Наши результаты показывают, что если это так, то эти хори должны были иметь очень низкую "металличность", то есть содержать очень мало элементов, кроме водорода и гелия, по сравнению с нашим Солнцем, что имеет смысл, поскольку мы говорим о периоде времени во Вселенной до образования большинства других элементов".

Эпоха реионизации

Во время зарождения Вселенной в результате Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад образовался горячий котел энергии и элементарных частиц, который остывал сотни тысяч лет, прежде чем протоны и электроны объединились в атомы, главным образом водород и гелий. Глядя на небо с помощью чувствительных телескопов, астрономы детально запечатлели слабые колебания температуры в этот момент - то, что известно как космический микроволновый фон - только через 380 000 лет после Большого взрыва.

Однако, помимо этого реликтового теплового излучения, ранняя Вселенная была темной. По мере расширения Вселенной сгустки материи порождали галактики и звезды, которые, в свою очередь, продуцировали излучение - ультрафиолетовое и рентгеновское - которое нагревало газ между звездами. В какой-то момент водород начал ионизироваться - он потерял свой электрон - и образовал пузыри внутри нейтрального водорода, что ознаменовало начало эпохи реионизации.

Чтобы составить карту этих пузырей, HERA и несколько других экспериментов сфокусированы на длине волны света, которую нейтральный водород поглощает и излучает, а ионизированный водород - нет. Названная 21-сантиметровой линией (частота 1 420 мегагерц), она образуется вследствие гиперфинного перехода, во время которого спины электрона и протона меняются с параллельных на антипараллельные. Ионизированный водород, потерявший свой единственный электрон, не поглощает и не излучает эту радиочастоту.

Из эпохи реионизации 21-сантиметровую линию сдвинуло расширением Вселенной до длины волны, в 10 раз большей, - около 2 метров. Достаточно простые антенны HERA, представляющие собой конструкцию из проволочной сетки, труб ПВХ и телефонных столбов, имеют 14 метров в поперечнике, чтобы собирать и фокусировать это излучение на детекторах.

"На длине волны в два метра проволочная сетка - это зеркало", - сказал Диллон. "А все сложные вещи, так сказать, находятся в бэкэнде суперкомпьютера и во всем анализе данных, который происходит после этого".

Новый анализ основывается на данных 94 ночей наблюдений в 2017 и 2018 годах с использованием около 40 антенн - первой фазы массива. Прошлогодний предыдущий анализ был основан на 18 ночах наблюдений первой фазы.

Главный результат новой статьи заключается в том, что команда HERA улучшила чувствительность решетки в 2,1 раза для света, выпущенного примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение, или увеличение длины волны, z=7,9), и в 2,6 раза для излучения, выпущенного примерно через 450 миллионов лет после Большого взрыва (z=10,4).

Команда HERA продолжает совершенствовать калибровку телескопа и анализ данных, надеясь увидеть эти пузыри в ранней Вселенной, интенсивность которых примерно в 1 миллион раз меньше интенсивности радиошума в окрестностях Земли. Отфильтровать местный радиошум, чтобы увидеть излучение ранней Вселенной, было нелегко.

"Если это швейцарский сыр, то галактики делают дырки, а мы ищем сыр, и пока безуспешно", - сказал Дэвид Дебоер, астроном-исследователь из лаборатории радиоастрономии в Беркли.

Однако, расширяя эту аналогию, Диллон отметил: "Мы сделали следующее: мы сказали, что сыр должен быть теплее, чем если бы ничего не произошло. Если бы сыр был действительно холодным, оказалось бы, что наблюдать эту пестроту было бы легче, чем если бы сыр был теплым".

Это по большей части исключает теорию холодной реионизации, которая предполагала более холодную начальную точку. Вместо этого исследователи HERA подозревают, что рентгеновские лучи от рентгеновских бинарных звезд сначала нагрели межгалактическую среду.

"Рентгеновские лучи эффективно нагревают весь блок сыра, прежде чем образуются дыры", - сказал Диллон. "А эти дыры - ионизированные кусочки".

"HERA продолжает совершенствоваться и устанавливать все лучшие и лучшие ограничения", - сказал Парсонс. "Тот факт, что мы можем продолжать продвигаться вперед, и у нас есть новые методы, которые продолжают приносить плоды для нашего телескопа, просто замечательный".

Сотрудничество HERA возглавляет Калифорнийский университет в Беркли, в нее входят ученые из Северной Америки, Европы и Южной Африки.

Источник: news.berkeley.edu

Фотографии: Dara Storer

стаття українською мовою