Астрономы впервые напрямую увидели древний радиосигнал нейтрального водорода
Астрономы впервые напрямую обнаружили чрезвычайно слабое радиоизлучение нейтрального водорода из далёкой Вселенной, используя южноафриканский радиотелескоп MeerKAT. Сигнал пришёл к Земле из эпохи, когда Вселенная была на несколько миллиардов лет моложе, чем сегодня. Открытие демонстрирует возможности нового метода изучения крупномасштабной структуры Вселенной — картирования интенсивности водорода.
Нейтральный водород естественным образом испускает слабое радиоизлучение на длине волны около 21 сантиметра. Из-за расширения Вселенной эта длина волны увеличивается, поэтому по наблюдаемому сигналу можно определить, из какой эпохи космической истории он пришёл. Таким образом, радиоастрономы получают возможность исследовать распределение водорода на разных расстояниях и этапах эволюции Вселенной.
Метод, получивший название картирование интенсивности водорода (hydrogen intensity mapping), отличается от традиционного подхода. Астрономам не требуется обнаруживать и анализировать каждую галактику отдельно. Вместо этого они измеряют суммарное радиоизлучение огромного количества галактик, которые невозможно различить по отдельности. Это позволяет исследовать значительно большие объёмы пространства и создавать трёхмерные карты распределения водорода.
Однако сигнал нейтрального водорода чрезвычайно слаб и легко теряется на фоне гораздо более ярких радиоисточников, излучения нашей Галактики, радиопомех от человеческой деятельности и собственных эффектов аппаратуры. Поэтому до сих пор надёжное обнаружение такого сигнала на подобных космологических расстояниях обычно требовало сопоставления радионаблюдений с оптическими каталогами галактик.
В новой работе исследователи из Манчестерского университета и Университета Западного Кейпа смогли обнаружить сигнал непосредственно по данным MeerKAT, не используя для самого обнаружения оптические наблюдения.
Учёные проанализировали около 96 часов наблюдений, выполненных радиотелескопом в 2018 году. Им удалось выделить из данных излучение нейтрального водорода, соответствующее двум различным эпохам в истории Вселенной. Радиосигнал находился в пути примерно четыре–пять миллиардов лет, прежде чем достиг Земли.
Полученные данные позволяют проследить распределение водорода на масштабах в несколько миллионов световых лет — то есть примерно сопоставимых с расстоянием между Млечным Путём и соседней галактикой Андромеды.
«Это очень важная веха», — отметил ведущий автор исследования Сурабх Паул. По его словам, картирование интенсивности водорода давно рассматривалось как перспективный способ эффективного изучения Вселенной, однако чрезвычайно слабый сигнал трудно отделить от различных источников помех. Его прямое обнаружение с помощью MeerKAT показывает, что метод постепенно превращается в практический инструмент современной космологии.
Особенно примечательно, что использованные данные были собраны ещё в 2018 году, когда MeerKAT только начинал научную работу. Это означает, что архив телескопа содержит большое количество наблюдений, которые можно повторно анализировать с помощью новых методов.
Нейтральный водород имеет ключевое значение для понимания формирования и эволюции галактик. Поскольку картирование интенсивности позволяет регистрировать не отдельные галактики, а совокупный сигнал огромных областей пространства, метод может дать астрономам новый способ исследовать распределение вещества во Вселенной и формирование космической крупномасштабной структуры.
Особый интерес представляет возможность использовать такие наблюдения для изучения космической паутины — гигантской сети нитей и скоплений материи, сформировавшейся под действием гравитации тёмной материи. Распределение нейтрального водорода позволяет проследить, как эта структура менялась на протяжении миллиардов лет.
Полученный результат также важен для будущей работы крупнейшей радиоинтерферометрической системы Square Kilometre Array Observatory (SKAO), одним из предшественников которой является MeerKAT. Более длительные наблюдения, охватывающие значительно большие участки неба, позволят создавать подробные карты распределения водорода и использовать их для изучения эволюции галактик, тёмной материи и расширения Вселенной.
Таким образом, исследователи продемонстрировали, что даже данные, которые изначально не предназначались для картирования нейтрального водорода, могут содержать информацию о слабом радиоизлучении далёкой Вселенной. В дальнейшем этот подход может превратить радиотелескопы в мощный инструмент для построения трёхмерной карты космоса на протяжении миллиардов лет его истории.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.