Исследователи использовали данные, собранные на первом этапе строительства радиотелескопа HERA в Южной Африке, для того, чтобы проникнуть в историю рассвета космоса. В эту эпоху, известную как реионизация, сформировались первые звезды и образовались первые галактики. С помощью HERA, предшественника SKA, кажется возможным раскрыть некоторые секреты 13-миллиардной Вселенной.
Что произошло на заре космоса? Каково происхождение Большого взрыва? Как были созданы первые звезды? Сколько времени потребовалось для образования галактик? Уверены ли мы, что наши предсказания о ранней Вселенной могут объяснить взаимодействие между первыми фотонами света и частицами, которые тогда только родились? Существует столько же возможных ответов, сколько и новых вопросов. Благодаря новым данным радиотелескопа HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) ученые Массачусетского технологического института, возможно, смогут прояснить некоторые из наиболее актуальных вопросов.
Расположенная в астрономическом центре South Africa Karoo Astronomy, HERA сканирует небо в поисках первых признаков формирования звезд и скопления галактик. Над ним работали такие ученые, как Жаклин Хьюитт и Джулиус А. Страттон из Массачусетского технологического института, пытаются понять, что произошло в течение 400-миллионного периода после Большого взрыва, называемого космическим рассветом.
На ранних этапах строительства радиотелескопа, которое длилось в общей сложности четыре года, данные из молодой Вселенной собирались и анализировались с помощью радиосигналов. С осени 2021 года исследователи из международной коллаборации, работающей над проектом HERA, пытаются восстановить то, о чем говорили им полученные результаты. Теперь, в исследовании, опубликованном в журнале , они представили новые данные о сигнатурах космического водорода в ранней Вселенной.
Низкочастотные радиоволны: сигналы из ранней Вселенной
Чтобы получить доступ к сигналам ранней Вселенной, HERA использует низкочастотные радиоволны, которые достигают того, что нелегко наблюдать. В отличие от космического телескопа Хаббла, который наблюдает 5% наблюдаемой материи в космосе в видимом излучении, HERA способна исследовать оставшиеся 95% сигналов. Пришедшие из безмолвного космоса, которые могли бы предложить историю образования и эволюции галактик.
Исследователи HERA ищут в радиоспектрах спектральную линию 21 см, соответствующую длине волны нейтрального газообразного водорода. Этот тип сигнала возникает в результате поглощения или излучения водорода в материале между галактиками — межгалактической среде. Они называют его «спиновым сигналом», и он исходит из так называемой эпохи реионизации. Это космическая эпоха, во время которой нейтральный водород, пронизывавший раннюю Вселенную, реионизировался, что позволило свету просочиться сквозь него, и мы смогли наблюдать первые небесные тела.
Линия 21 см от космической зари еще окончательно не идентифицирована. Однако новые результаты HERA предоставляют данные, более чувствительные в 10 раз по сравнению с предыдущими результатами, о характере сигнала, полученного, когда возраст Вселенной составлял 500 миллионов лет.
HERA дает представление о периоде до появления первых звезд
С результатами HERA исследователи смогли предоставить доказательства, исключающие несколько возможных теорий формирования галактик. В частности, данные показывают, что должен был существовать механизм нагрева водорода в космосе в эпоху реионизации, до того, как зажглись первые звезды. Это говорит о том, что образовавшиеся позже галактики должны были иметь черные дыры.
При финансовой поддержке Фонда Гордона и Бетти Мур и Национального научного фонда HERA будет использовать 350 антенн и новую конструкцию антенны, которая позволит телескопу улавливать низкочастотные радиоволны и двигаться дальше в космическое прошлое.
Хьюитт, руководитель проекта HERA, работает над вопросом о том, когда образовались первые звезды, с 2004 года. Он руководил созданием прототипов новых низкочастотных компонентов и разрабатывает новые методы анализа текущих и будущих наборов данных. Новая конструкция антенны, разработанная Кембриджским университетом, должна быть установлена в ближайшее время и значительно увеличит диапазон информации, которую они смогут получить.
«Это расширение до более низких частот важно, потому что оно переносит нас в этот период до появления первых звезд«, — говорит Хьюитт. «Мы создаем инструмент, который заглядывает во времени на 13 миллиардов лет назад. Удивительно, что мы действительно можем это сделать«.