Впервые астрономы получили прямое подтверждение существования крайне слабого радиоизлучения нейтрального водорода, исходящего из отдалённых регионов космоса. Для этого был использован южноафриканский радиотелескоп MeerKAT. Зарегистрированный сигнал достиг Земли из периода, когда возраст Вселенной был значительно меньше нынешнего. Данное открытие демонстрирует потенциал нового подхода к изучению крупномасштабной структуры Вселенной – метода картирования интенсивности водорода.

Нейтральный водород спонтанно генерирует слабое радиоизлучение с длиной волны приблизительно 21 сантиметр. В связи с расширением Вселенной, эта длина волны подвергается увеличению, что позволяет определить эпоху космической истории, из которой поступил сигнал. Благодаря этому радиоастрономы получают возможность исследовать распределение водорода на различных расстояниях и стадиях эволюции Вселенной.

Метод картирования интенсивности водорода отличается от общепринятых методов исследования. Вместо того чтобы выявлять и анализировать каждую галактику по отдельности, астрономам предоставляется возможность измерять суммарное радиоизлучение огромного количества галактик, которые невозможно различить в индивидуальном порядке. Это обеспечивает изучение более обширных пространственных объёмов и создание трёхмерных карт распределения водорода.

Сигнал нейтрального водорода отличается чрезвычайно низкой интенсивностью и склонен к затуханию из-за более мощных радиоисточников, излучения нашей Галактики, радиопомех, вызванных деятельностью человека, а также внутренних эффектов оборудования. Поэтому до настоящего времени надёжное обнаружение подобного сигнала на космологических расстояниях обычно требовало сопоставления радионаблюдений с оптическими каталогами галактик.

В рамках нового исследования специалисты из Манчестерского университета и Университета Западного Кейпа идентифицировали сигнал, основываясь на данных, полученных при помощи MeerKAT, без привлечения оптических наблюдений.

Для анализа ученые использовали приблизительно 96 часов наблюдений, проведенных радиотелескопом в 2018 году. В результате им удалось отделить излучение нейтрального водорода, которое отражает два различных периода во Вселенной. Этот радиосигнал преодолел расстояние около четырех–пяти миллиардов лет до того, как достиг Земли.

Собранные данные предоставляют возможность отследить распределение водорода на масштабах, охватывающих несколько миллионов световых лет – что приблизительно соответствует расстоянию между Млечным Путём и галактикой Андромеды.

«Это очень важная веха», — подчеркнул ведущий автор исследования Сурабх Паул. По его мнению, картирование интенсивности водорода на протяжении некоторого времени считалось многообещающим подходом к эффективному изучению Вселенной, но чрезвычайно слабый сигнал затруднял отделение от различных помех. Успешное прямое обнаружение этого сигнала с использованием инструмента MeerKAT указывает на то, что данный метод постепенно становится полезным инструментом современной космологии.

Следует отметить, что использованные данные были собраны еще в 2018 году, когда MeerKAT только начинал свою научную деятельность. Это указывает на то, что архив телескопа содержит значительный объем наблюдений, которые можно пересмотреть, применяя новые аналитические подходы.

Нейтральный водород играет важную роль в понимании процессов формирования и развития галактик. Поскольку картирование интенсивности позволяет регистрировать не отдельные галактики, а общий сигнал из обширных областей пространства, астрономы могут получить новый способ исследования распределения вещества во Вселенной и формирования крупномасштабной космической структуры.

Особый интерес представляет возможность применения таких наблюдений для изучения космической паутины – огромной сети нитей и скоплений материи, возникшей под воздействием гравитации тёмной материи. Анализ распределения нейтрального водорода позволяет отследить изменения этой структуры на протяжении миллиардов лет.

Полученные результаты также имеют значение для будущих работ крупнейшей радиотелескопической системы Square Kilometre Array Observatory (SKAO), одним из предшественников которой является MeerKAT. Более продолжительные наблюдения, охватывающие значительно большие площади неба, позволят создавать детальные карты распределения водорода и использовать их для изучения эволюции галактик, тёмной материи и расширения Вселенной.

В результате проведенных исследований стало известно, что даже сведения, которые первоначально не планировались использовать для определения расположения нейтрального водорода, способны предоставить информацию о слабого радиоизлучении, исходящего из глубин Вселенной. В перспективе данная методика может преобразовать радиотелескопы в эффективный инструмент для создания трехмерного представления космоса, охватывающего миллиарды лет его эволюции.

Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.