Переход Вселенной из эпохи тьмы к эпохе света, ознаменованный зарождением первых звёзд и галактик, представляет собой ключевой этап в её эволюции и известен как «Космический рассвет». Несмотря на использование самых передовых телескопов, прямое наблюдение за самыми ранними звёздами невозможно, поэтому определение их характеристик остаётся одной из наиболее сложных задач в астрономических исследованиях.
Международная группа астрономов, работающая под руководством ученых из Кембриджского университета показала, изучая уникальный радиосигнал, генерируемый атомами водорода, находящимися в межзвездном пространстве между областями звездообразования, возникшими вскоре после Большого взрыва (всего через сто миллионов лет), мы сможем получить информацию о массе первых звёзд.
Проанализировав воздействие первых звёзд и их остатков на 21-сантиметровый сигнал, учёные продемонстрировали, что будущие радиотелескопы позволят определить, какой была Вселенная в начальный период своего существования, и выяснить, как она эволюционировала из почти однородной массы, состоящей преимущественно из водорода, в ту сложную структуру, которую мы наблюдаем сегодня. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
«Это беспрецедентный шанс узнать, как во Вселенной возник первый свет из состояния полной темноты, — заявила соавтор исследования, профессор Анастасия Фиалкова из Кембриджского института астрономии. История о том, как холодная, темная материя превратилась во Вселенную, полную звёзд, пока еще только начинает раскрываться».
Исследование наиболее старых звёзд во Вселенной строится на анализе слабого свечения едва уловимого сигнала в радиодиапазоне, длиной 21 сантиметр, возникшего более 13 миллиардов лет назад. Этот сигнал, подвергшийся воздействию излучения первых звёзд и чёрных дыр, даёт возможность заглянуть в ранние этапы развития Вселенной.
REACH — это радиоантенна, являющаяся одним из двух ключевых проектов, направленных на изучение космического рассвета и эпохи реионизации, периода, когда первые звёзды ионизировали нейтральный водород во Вселенной. Несмотря на то, что радиоприёмник REACH все ещё проходит калибровку, ожидается, что он предоставит ценные данные о ранней Вселенной. Параллельно с этим ведётся строительство Square Kilometre Array (SKA) – масштабного комплекса антенн, который позволит картировать колебания космических сигналов на значительной площади неба.
Изучение масс, светимостей и распределения ранних звёзд во Вселенной имеет первостепенное значение для обоих проектов. В ходе текущего исследования была создана модель, позволяющая предсказывать 21-сантиметровый сигнал как для REACH, так и для SKA. Анализ показал, что этот сигнал зависит от масс первых звёзд.
«Наша команда первой разработала последовательную модель, описывающую зависимость 21-сантиметрового сигнала от массы первых звёзд. В неё включено влияние ультрафиолетового излучения звёзд и рентгеновского излучения от двойных звёзд, возникающих в процессе гибели первых звёзд», — отметила Фиалкова. «Полученные результаты основаны на моделировании, которое учитывает изначальные характеристики Вселенной, включая водородно-гелиевый состав, сформировавшийся в эпоху Большого взрыва».
При создании теоретической модели ученые исследовали, как сигнал длиной 21 сантиметр изменяется под воздействием распределения масс первых звёзд, которые также называют звёздами Population III. Предыдущие исследования не в полной мере отражали эту взаимосвязь, так как не принимали во внимание число и светимость рентгеновских двойных звёзд — систем, состоящих из обычной звезды и коллапсировавшей звезды — среди звёзд Population III и то, как они влияют на 21-сантиметровый сигнал.
Радиоастрономия, в отличие от оптических телескопов, например, космического телескопа Джеймса Уэбба, использующего для получения изображений чёткость, основывается на статистическом анализе слабых сигналов. Проекты REACH и SKA не предназначены для получения изображений отдельных звёзд, а предоставят данные о скоплениях звёзд, рентгеновских двойных системах и галактиках.
«По словам Фиалковой, для сопоставления радиоданных с историей первых звёзд требуется определённая доля фантазии, однако это может привести к поразительным результатам.
«Астрономы утверждают, что радиотелескопы способны предоставить детальные данные о массе первых звёзд и их отличиях от звёзд, существующих сегодня. Такие инструменты, как REACH, дают надежду на раскрытие загадок ранней Вселенной, и эти прогнозы критически важны для радионаблюдений, проводимых нами в Южной Африке.
[Фото: ru.123rf.com]